• Definicje:

Chemiluminescencja jest to proces chemiczny, który polega na emitowaniu promieniowania elektromagnetycznego przez cząsteczki i atomy podczas ich przejścia ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego lub stanu wzbudzonego o niższej energii. Chemiluminescencja jest to jeden z rodzajów luminescencji. W zależności od sposobu wzbudzania atomów lub cząsteczek wyróżnia się następujące rodzaje luminescencji: chemiluminescencja (wzbudzenie za pomocą reakcji chemicznych, na przykład świecenie fosforu wynikające z jego powolnego utleniania się), tryboluminescencja (wzbudzanie za pomocą czynników mechanicznych), elektroluminescencja (pod wpływem działania pola elektrycznego), sonoluminescencja (za pomocą ultradźwięków), fotoluminescencja (wzbudzanie poprzez pochłanianie światła), elektronoluminescencja (przez bombardowanie strumieniem elektronów).

Chemiluminescencja jest spotykana w przyrodzie, na przykład u robaczków świętojańskich (świetlikach), które świecą w ciemności. Ich źródło światła to pochodne tłuszczów. Te miniaturowe latarenki zdolne są do wytwarzania zimnego, żółto zielonego światła z prawie 100-procentową wydajnością i w dodatku bez podwyższania przy tym temperatury ciała. chemiluminescencja, która zachodzi w organizmach żywych jest nazywana bioluminescencją. Bioluminescencja występuje również u bakterii i zachodzi ona na skutek enzymatycznego utleniania prostych aldehydów alifatycznych, W reakcji tej udział bierze ATP i flawinomononukleotyd.

Jako pierwszy chemiluminescencją zajmował się Fritz Haber (1869-1934).

Substancja, która wykazuje luminescencję to luminofor. W zależności od składu chemicznego wyróżnia się luminofory organiczne i luminofory nieorganiczne. Luminofory emitują promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie od podczerwieni do nadfioletu. Luminofory organiczne są zwykle skomplikowanymi związkami. Niekiedy zjawisko luminescencji wykazują nie w formie prostej, ale w formie zjonizowanej. Chociaż właściwości luminescencyjne wykazują prawie wszystkie krystaliczne sole nieorganiczne, to znaczenie praktyczne mają głównie: siarczki cynku, kadmu, wapnia i strontu. Szczególnie silne właściwości luminescencyjne wykazują te związki w formie domieszkowej. Odpowiednio dobierając stężenie domieszek i stosunki wagowe części składowych kryształu nieorganicznego, można otrzymać promieniowanie elektromagnetyczne o żądanej długości fali. Luminofory mają szereg różnych zastosowań; m.in. w lampach luminescencyjnych, w ekranach, farbach czy zegarkach.

  • Doświadczenia pokazujące proces chemiluminescencji i tryboluminescencji:

doświadczenie 1

wykonanie: Między dwa szkiełka włożono kryształki kwasu n-acetyloantraminowego. Następnie pocierano szkiełkami o siebie.

obserwacje: Pocieranie szybek prowadziło do pękania kryształów i pojawiło się iskrzenie między szkiełkami.

wnioski: Mieliśmy do czynienia ze zjawiskiem tryboluminescencji. Na skutek zerwania wiązań dochodziło do emitowania promieniowania elektromagnetycznego (światła). W wyniku zniszczenia sieci krystalicznej, które było wywołane pękaniem kryształów substancji nastąpiło wydzielenie energii i emisji fotonów.

doświadczenie 2

wykonanie: Do probówki wsypano małą ilość czerwonego fosforu i wsadzono do niej drugą, która zawierała wodę i chłodziła cały układ. Całość podgrzano nad palnikiem. Biały fosfor (stanowi on silną truciznę i jest samozapalny) szybko zalano wodą. W parownicy rozpuszczono wazelinę i dodano biały fosfor, który wcześniej został odsączony. Całość mieszano, aż uzyskano jednorodną pastę, którą następnie utarto. Resztki fosforu po doświadczeniu należy unieszkodliwić przez spalenie pod kontrolą lub przez zalanie na kilka godzin stężonym roztworem CuSO4.

obserwacje: Ucieraniu pasty towarzyszyło powstawanie białego dymu, natomiast pasta na ścianach parownicy świeciła.

wnioski: Biały dym jaki się wydzielał podczas tego doświadczenia to tlenek fosforu P4O10. Mieliśmy tu także do czynienia ze zjawiskiem chemiluminescencji. Inny przykład chemiluminescencji to związki zawierające miedź. Dodanie luminolu do niektórych związków miedzi (luminolu czyli hydrazydu kwasu 3-aminoftalowego) powoduje emitowanie światła. Luminol jest jedną z najbardziej widowiskowych substancji, a jego synteza z kwasu 3-nitroftalowego, poprzez ogrzewanie z solą hydrazyny, a następnie redukcję chlorkiem cynawym, daje się przeprowadzić w przeciętnym laboratorium.

doświadczenie 3

wykonanie: Do probówki wrzucono niewielki kawałek drutu miedzianego. Dodano perhydrol i luminol oraz niewielką ilość wody amoniakalnej.

obserwacje: Dodanie niewielkiej ilości wody amoniakalnej spowodowało świecenie probówki.

wnioski: Doszło do zajścia reakcji pomiędzy amoniakiem i miedzią. Chemiluminescencja związana jest z utlenianiem luminolu w środowisku alkalicznym, w obecności aktywatorów.

Reakcję luminescencji luminolu można wykorzystać do oznaczani różnego rodzaju utleniaczy, aktywatorów jonów metali oraz substancji, które w reakcjach chemicznych jako jeden z produktów dają utleniacz, na przykład nadtlenek wodoru.

doświadczenie 4

wykonanie: Do zlewki wlano perhydrol i formaldehyd i dodano węglanu potasu i pirogalolu.

obserwacje: Dodanie pirogalolu roztwór zaczął świecić na różowo (może także emitować światło o zabarwieniu pomarańczowym). Wynika to z obecności piany, która opada na skutek dodania wody. Reakcja ustaje jeśli środowisko reakcji zmieni się z zasadowego na kwaśne.

wnioski: Utlenienie pirogalolu spowodowało emisję światła. Formalina aktywuje cały proces. Przechodzi w stan lotny i to właśnie ona powoduje powstanie piany.

doświadczenie 5

wykonanie: Zmieszano CS2 i biały fosfor, a następnie zanurzono w tak przygotowanej mieszaninie kredę. Kredą pisano na tablicy.

obserwacje: Kreda pozostawia kolorową smugę, która świeci.

wnioski: Fosfor, który ulega przemianie do tlenku fosforu emituje światło o niebieskiej barwie.

doświadczenie 6

wykonanie: Do zlewki wlano roztwór wodorotlenku sodu i perhydrol. Wsadzono rurkę, która wychodziła z elektrolizera, w którym znajdował się kwas solny. Elektrolizer został podłączony do prądu elektrycznego. Bezpośrednie otrzymywanie chloru można zastąpić roztworem chloru i czterochlorku węgla.

obserwacje: Po dodaniu chloru do zlewki, która zawierała roztwór zaobserwowano migające światło o zabarwieniu czerwonym.

wnioski: Tlen przechodząc w postać singletową z dubletowej oddaje energię w postaci światła. W doświadczeniu tym mieliśmy do czynienia z reakcją pomiędzy nadtlenkiem wodoru a chlorem w środowisku zasadowym. Zaobserwowaliśmy także zjawisko chemiluminescencji i utworzył się tlen w postaci singletowej.

doświadczenie 7

wykonanie: W kolbie umieszczono nadtlenek wodoru (w postaci perhydrolu) i wodorotlenek sodu. Następnie dodano związek zawierający żelazo - heksacyjanożelazian(III) potasu albo czerwony barwnik krwi ssaków, czyli hemoglobinę. Dodano luminolu.

obserwacje: Dodanie do roztworu luminolu i mieszanie wszystkich reagentów spowodowało pojawienie się w kolbie światła o niebieskiej barwie. Wydzielił się gaz, którym był azot i zaszła reakcja utlenienia-redukcji.

wnioski: Na skutek reakcji redoks, doszło do emisji światła. Zaobserwowaliśmy zjawisko chemiluminescencji. Roztwór przestał świecić po zakwaszeniu. Efekty przeprowadzonego doświadczenia najlepiej są widoczne w ciemności. Podczas eksperymentu może tworzyć się niewielka ilość piany.

doświadczenie 8

wykonanie: W krystalizatorze umieszczono niewielką ilość galaretki, która zawierała niewielką ilość siarczanu żelaza, heksacyjanożelaza(III) potasu i szczawianu żelaza. Galaretkę położono na negatywie na rzutniku i naświetlano.

obserwacje: Zaobserwowano pozytyw o niebieskim zabarwieniu.

wnioski: Doszło do zajścia reakcji, w której utworzył się błękit pruski. W tym przypadku obserwujemy zjawisko fotoluminescencji, która zachodzi na skutek pochłaniania światła.