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Chemilumineszenzdefinition und Beispiele

Chemilumineszenz ist definiert als Licht, das als Ergebnis einer chemischen Reaktion emittiert wird. Es ist auch seltener als Chemolumineszenz bekannt. Licht ist nicht unbedingt die einzige Energieform, die durch eine Chemilumineszenzreaktion freigesetzt wird. Es kann auch Wärme erzeugt werden, wodurch die Reaktion exotherm wird .

Wie Chemilumineszenz funktioniert

WikiProfPC / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

Bei jeder chemischen Reaktion kollidieren die Atome, Moleküle oder Ionen der Reaktanten miteinander und bilden einen sogenannten Übergangszustand. Aus dem Übergangszustand werden die Produkte gebildet. Im Übergangszustand ist die Enthalpie am höchsten, wobei die Produkte im Allgemeinen weniger Energie als die Reaktanten haben. Mit anderen Worten tritt eine chemische Reaktion auf, weil sie die Stabilität erhöht / die Energie der Moleküle verringert. Bei chemischen Reaktionen, bei denen Energie als Wärme freigesetzt wird, wird der Schwingungszustand des Produkts angeregt. Die Energie verteilt sich im Produkt und macht es wärmer. Ein ähnlicher Prozess findet bei der Chemilumineszenz statt, außer dass die Elektronen angeregt werden. Der angeregte Zustand ist der Übergangszustand oder Zwischenzustand. Wenn angeregte Elektronen in den Grundzustand zurückkehren, wird die Energie als Photon freigesetzt . Der Zerfall in den Grundzustand kann durch einen erlaubten Übergang (schnelle Freisetzung von Licht, wie Fluoreszenz) oder einen verbotenen Übergang (eher wie Phosphoreszenz) erfolgen.

Theoretisch setzt jedes an einer Reaktion beteiligte Molekül ein Lichtphoton frei. In Wirklichkeit ist die Ausbeute viel niedriger. Nichtenzymatische Reaktionen haben eine Quanteneffizienz von etwa 1%. Die Zugabe eines Katalysators kann die Helligkeit vieler Reaktionen stark erhöhen.

Wie sich Chemilumineszenz von anderer Lumineszenz unterscheidet

Bei der Chemilumineszenz stammt die Energie, die zur elektronischen Anregung führt, aus einer chemischen Reaktion. Bei der Fluoreszenz oder Phosphoreszenz kommt die Energie von außen, wie von einer energetischen Lichtquelle (z. B. einem Schwarzlicht).

Einige Quellen definieren eine photochemische Reaktion als jede chemische Reaktion, die mit Licht verbunden ist. Unter dieser Definition ist Chemilumineszenz eine Form der Photochemie. Die strenge Definition ist jedoch, dass eine photochemische Reaktion eine chemische Reaktion ist, die die Absorption von Licht erfordert, um fortzufahren. Einige photochemische Reaktionen sind lumineszierend, da niederfrequentes Licht freigesetzt wird.

Beispiele für Chemilumineszenzreaktionen

Leuchtstäbe sind ein hervorragendes Beispiel für Chemilumineszenz. James McQuillan / Getty Images

Die Luminolreaktion ist eine klassische chemische Demonstration der Chemilumineszenz. Bei dieser Reaktion reagiert Luminol mit Wasserstoffperoxid unter Freisetzung von blauem Licht. Die durch die Reaktion freigesetzte Lichtmenge ist gering, sofern nicht eine kleine Menge eines geeigneten Katalysators zugesetzt wird. Typischerweise ist der Katalysator eine kleine Menge Eisen oder Kupfer.

Die Reaktion ist:

C 8 H 7 N 3 O 2 (Luminol) + H 2 O 2 (Wasserstoffperoxid) → 3-APA (vibronisch angeregter Zustand) → 3-APA (auf ein niedrigeres Energieniveau zerfallen) + Licht

Wobei 3-APA 3-Aminopthalalat ist.

Beachten Sie, dass es keinen Unterschied in der chemischen Formel des Übergangszustands gibt, sondern nur im Energieniveau der Elektronen. Da Eisen eines der Metallionen ist, die die Reaktion katalysieren, kann die Luminolreaktion zum Nachweis von Blut verwendet werden. Eisen aus Hämoglobin lässt die chemische Mischung hell leuchten.

Ein weiteres gutes Beispiel für chemische Lumineszenz ist die Reaktion, die in Leuchtstäben auftritt. Die Farbe des Leuchtstabs ergibt sich aus einem fluoreszierenden Farbstoff (einem Fluorophor), der das Licht der Chemilumineszenz absorbiert und als andere Farbe freisetzt.

Chemilumineszenz tritt nicht nur in Flüssigkeiten auf. Zum Beispiel ist das grüne Leuchten von weißem Phosphor in feuchter Luft eine Gasphasenreaktion zwischen verdampftem Phosphor und Sauerstoff.

Faktoren, die die Chemilumineszenz beeinflussen

Die Chemilumineszenz wird durch dieselben Faktoren beeinflusst, die auch andere chemische Reaktionen beeinflussen. Durch Erhöhen der Reaktionstemperatur wird die Reaktion beschleunigt, wodurch mehr Licht freigesetzt wird. Das Licht hält jedoch nicht so lange an. Der Effekt kann leicht mit Leuchtstäben gesehen werden. Wenn Sie einen Leuchtstab in heißes Wasser legen, leuchtet er heller. Wenn ein Leuchtstab in einen Gefrierschrank gestellt wird, wird sein Leuchten schwächer, hält aber viel länger an.

Biolumineszenz

Verfallende Fische sind biolumineszierend. Paul Taylor / Getty Images

Biolumineszenz ist eine Form der Chemilumineszenz, die in lebenden Organismen wie Glühwürmchen. einigen Pilzen, vielen Meerestieren und einigen Bakterien auftritt . Es kommt in Pflanzen natürlich nicht vor, es sei denn, sie sind mit biolumineszierenden Bakterien assoziiert. Viele Tiere leuchten aufgrund einer symbiotischen Beziehung zu Vibrio- Bakterien.

Die meiste Biolumineszenz ist das Ergebnis einer chemischen Reaktion zwischen dem Enzym Luciferase und dem Lumineszenzpigment Luciferin. Andere Proteine ​​(z. B. Aequorin) können die Reaktion unterstützen, und Cofaktoren (z. B. Calcium- oder Magnesiumionen) können vorhanden sein. Die Reaktion erfordert häufig einen Energieeintrag, üblicherweise aus Adenosintriphosphat (ATP). Während es kaum Unterschiede zwischen Luciferinen verschiedener Spezies gibt, variiert das Luciferaseenzym zwischen den Phyla dramatisch.

Grüne und blaue Biolumineszenz sind am häufigsten, obwohl es Arten gibt, die einen roten Schimmer abgeben.

Organismen verwenden Biolumineszenzreaktionen für eine Vielzahl von Zwecken, einschließlich Beuteköder, Warnung, Partneranziehung, Tarnung und Beleuchtung ihrer Umgebung.

Interessante Biolumineszenz-Tatsache

Verrottendes Fleisch und Fisch sind kurz vor der Fäulnis biolumineszierend. Es ist nicht das Fleisch selbst, das glüht, sondern biolumineszierende Bakterien. Bergleute in Europa und Großbritannien würden getrocknete Fischhäute für eine schwache Beleuchtung verwenden. Obwohl die Häute schrecklich rochen, waren sie viel sicherer als Kerzen, die Explosionen auslösen konnten. Obwohl die meisten modernen Menschen nicht wissen, dass totes Fleisch leuchtet, wurde es von Aristoteles erwähnt und war in früheren Zeiten eine bekannte Tatsache. Wenn Sie neugierig sind (aber nicht experimentieren möchten), leuchtet verfaultes Fleisch grün.

Quelle

  • Lächelt, Samuel. Leben der Ingenieure: 3 . London: Murray, 1862. p. 107.

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