Hva er kjemiluminescens?

Eksempler på kjemiluminescens og hvordan det fungerer

Charles O'Rear / Getty Images

Kjemiluminescens er definert som lys som sendes ut som et resultat av en kjemisk reaksjon . Det er også kjent, mindre vanlig, som kjemoluminescens. Lys er ikke nødvendigvis den eneste formen for energi som frigjøres ved en kjemiluminescerende reaksjon. Varme kan også produseres, noe som gjør reaksjonen eksotermisk .

Hvordan kjemiluminescens fungerer

WikiProfPC / Wikimedia Commons / CCJ

' id='mntl-sc-block-image_2-0-1' />

WikiProfPC / Wikimedia Commons / CCJ

I enhver kjemisk reaksjon kolliderer reaktantatomene, molekylene eller ionene med hverandre, og interagerer for å danne det som kalles en overgangsfase . Fra overgangstilstanden dannes produktene. Overgangstilstanden er der entalpien er på sitt maksimum, med produktene som generelt har mindre energi enn reaktantene. En kjemisk reaksjon oppstår med andre ord fordi den øker stabiliteten/reduserer energien til molekylene. I kjemiske reaksjoner som frigjør energi som varme, er vibrasjonstilstanden til produktet begeistret. Energien spres gjennom produktet og gjør det varmere. En lignende prosess skjer i kjemiluminescens, bortsett fra at det er elektronene som blir opphisset. Den eksiterte tilstanden er overgangstilstanden eller mellomtilstanden. Når eksiterte elektroner går tilbake til grunntilstanden, frigjøres energien som en foton . Forfallet til grunntilstanden kan skje gjennom en tillatt overgang (rask frigjøring av lys, som fluorescens) eller en forbudt overgang (mer som fosforescens).

Teoretisk sett frigjør hvert molekyl som deltar i en reaksjon ett foton av lys. I virkeligheten er utbyttet mye lavere. Ikke-enzymatiske reaksjoner har omtrent 1 % kvanteeffektivitet. Legger til en katalysator kan i stor grad øke lysstyrken til mange reaksjoner.

Hvordan kjemiluminescens skiller seg fra annen luminescens

Ved kjemiluminescens kommer energien som fører til elektronisk eksitasjon fra en kjemisk reaksjon. Ved fluorescens eller fosforescens kommer energien utenfra, som fra en energisk lyskilde (f.eks. et svart lys).

Noen kilder definerer en fotokjemisk reaksjon som enhver kjemisk reaksjon assosiert med lys. Under denne definisjonen er kjemiluminescens en form for fotokjemi. Den strenge definisjonen er imidlertid at en fotokjemisk reaksjon er en kjemisk reaksjon som krever absorpsjon av lys for å fortsette. Noen fotokjemiske reaksjoner er selvlysende, ettersom lavere frekvens lys frigjøres.

Eksempler på kjemiluminescerende reaksjoner

Glowsticks er et utmerket eksempel på kjemiluminescens. James McQuillan / Getty Images

Luminolreaksjonen er en klassisk kjemidemonstrasjon av kjemiluminescens. I denne reaksjonen reagerer luminol med hydrogenperoksid for å frigjøre blått lys. Mengden lys som frigjøres ved reaksjonen er lav med mindre en liten mengde egnet katalysator tilsettes. Typisk er katalysatoren en liten mengde jern eller kobber.

Reaksjonen er:

C₈H₇N₃O_to(luminol) + H_toO_to(hydrogenperoksid) → 3-APA (vibronisk eksitert tilstand) → 3-APA (forfall til et lavere energinivå) + lys

Hvor 3-APA er 3-aminoftalat.

Merk at det ikke er noen forskjell i den kjemiske formelen for overgangstilstanden, bare energinivået til elektronene. Fordi jern er et av metallionene som katalyserer reaksjonen, kan luminolreaksjonen værebrukes til å oppdage blod. Jern fra hemoglobin får den kjemiske blandingen til å gløde sterkt.

Et annet godt eksempel på kjemisk luminescens er reaksjonen som skjer i glødepinner. De fargen på glødepinnen resulterer fra et fluorescerende fargestoff (en fluorofor), som absorberer lyset fra kjemiluminescens og frigjør det som en annen farge.

Kjemiluminescens forekommer ikke bare i væsker. For eksempel grønn glød av hvitt fosfor i fuktig luft er en gassfasereaksjon mellom fordampet fosfor og oksygen.

Faktorer som påvirker kjemiluminescens

Kjemiluminescens påvirkes av det samme faktorer som påvirker andre kjemiske reaksjoner. Å øke temperaturen på reaksjonen øker hastigheten, noe som får den til å frigjøre mer lys. Lyset varer imidlertid ikke like lenge. Effekten kan være lett sett ved bruk av glødepinner . Plasser en glødepinne i varmt vann får den til å gløde klarere. Hvis en glødepinne plasseres i en fryser, svekkes gløden, men den varer mye lenger.

Bioluminescens

Rånende fisk er selvlysende. Paul Taylor / Getty Images

Bioluminescens er en form for kjemiluminescens som forekommer i levende organismer , som for eksempel ildfluer , noen sopp, mange marine dyr og noen bakterier. Det forekommer ikke naturlig i planter med mindre de er assosiert med selvlysende bakterier. Mange dyr lyser på grunn av et symbiotisk forhold til Vibrio bakterie.

Mest bioluminescens er et resultat av en kjemisk reaksjon mellom enzymet luciferase og det selvlysende pigmentet luciferin. Andre proteiner (f.eks. aequorin) kan hjelpe reaksjonen, og kofaktorer (f.eks. kalsium- eller magnesiumioner) kan være tilstede. Reaksjonen krever ofte energitilførsel, vanligvis fra adenosintrifosfat (ATP). Mens det er liten forskjell mellom luciferiner fra forskjellige arter, varierer luciferase-enzymet dramatisk mellom phyla.

Grønn og blå bioluminescens er mest vanlig, selv om det er arter som avgir rød glød.

Organismer bruker bioluminescerende reaksjoner til en rekke formål, inkludert lokking av byttedyr, advarsel, tiltrekning av ektefeller, kamuflasje og belysning av miljøet.

Interessant bioluminescensfakta

Råtnende kjøtt og fisk er selvlysende like før forråtnelse. Det er ikke kjøttet i seg selv som gløder, men selvlysende bakterier. Kullgruvearbeidere i Europa og Storbritannia ville bruke tørket fiskeskinn for svak belysning. Selv om skinnene luktet fryktelig, var de mye tryggere å bruke enn stearinlys, som kunne utløse eksplosjoner. Selv om de fleste moderne mennesker ikke er klar over døde kjøttgløder, ble det nevnt av Aristoteles og var et velkjent faktum i tidligere tider. I tilfelle du er nysgjerrig (men ikke har lyst til å eksperimentere), lyser råtnende kjøtt grønt.

Kilde

• Smil, Samuel. Ingeniørenes liv: 3 . London: Murray, 1862. s. 107.