Weird Science

Chemiluminescencja fosforu

Z mro­ków alche­mii

Wiele sub­stan­cji wyka­zuje zdol­ność do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, między innymi lucy­fe­ryna z lucy­fe­razą, sin­gle­towa odmiana tlenu, lofina, układ piro­ga­lol-for­mal­de­hyd, lumi­nol, a nawet sód, będący przy­kła­dem metalu alka­licz­nego.

Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja została po raz pierw­szy zaob­ser­wo­wana przez nie­miec­kiego alche­mika Hen­niga Branda w 1669 roku. Otrzy­mał on białą odmianę alo­tro­pową fos­foru i stwier­dził, że sub­stan­cja ta emi­tuje zie­lon­ka­wo­żółtą poświatę, dosko­nale widoczną w ciem­no­ści. Joseph Wri­ght, angiel­ski malarz, przed­sta­wił to zda­rze­nie na swoim obra­zie, zaty­tu­ło­wa­nym "Alche­mik w poszu­ki­wa­niu Kamie­nia Filo­zo­fów", którego repro­duk­cję przed­sta­wiam poni­żej. Trzeba jed­nak zazna­czyć, że arty­sta przed­sta­wił poświatę z pewną prze­sadą.

Ilustracja

źródło: http://uplo­ads6.wikiart.org/ima­ges/joseph-wri­ght/the-alche­mist-disco­ve­ring-pho­spho­rus-or-the-alche­mist-in-search-of-the-phi­lo­so­phers-stone-1771.jpg, dostęp: 02.06.2014

Dziś wiemy, że w tym przy­padku świe­ce­nie jest efek­tem powol­nego utle­nia­nia fos­foru. Wła­śnie dla­tego pier­wia­stek ten został nazwany fos­fo­rem (gr. "pho­spho­ros", to jest "nio­sący świa­tło"). Inte­re­su­jące, że gdyby zmie­niono wtedy źródło­słów na łaciński, to sub­stan­cja ta mogłaby zostać nazwana lucy­fe­rem, co mia­łoby to samo zna­cze­nie (od łac. "lux" - "świa­tło" i "ferre" - "nieść", "przy­no­sić"). Pozo­stawmy na boku jed­nak roz­wa­ża­nia ety­mo­lo­giczne.

Fos­for, jako pier­wia­stek, występuje w czte­rech odmia­nach alo­tro­po­wych, różn­iących się wła­ści­wo­ściami che­micz­nymi i fizycz­nymi:

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/8/88/Pho­sph­Comby.jpg, dostęp: 02.06.2014

Potrzebne sub­stan­cje

Do doświad­cze­nia potrze­bu­jemy nie­wiel­kiej próbki fos­foru bia­łego. Z racji swo­jej reak­tyw­no­ści sub­stan­cja ta musi być prze­cho­wy­wana pod wodą!

Ostrze­że­nie: W tym doświad­cze­niu wyko­rzy­sty­wana jest, między innymi, biała postać alo­tro­powa fos­foru. Jest to sub­stan­cja nie­zwy­kle tok­syczna - dla doro­słej osoby dawka śmier­telna drogą doustną lub wziewną wynosi około 0,1g. Występuje też zagro­że­nie poża­rowe, ponie­waż roz­drob­niony fos­for biały zapala się natych­miast, nawet w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej. Próbki czer­wo­nego fos­foru powinny być także trak­to­wane nieuf­nie, ponie­waż często zawie­rają one mini­malną, ale w dal­szym ciągu nie­bez­pieczną, domieszkę fos­foru bia­łego. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Nie­wielki, naj­wy­żej cen­try­me­trowy, kawa­łek fos­foru trzeba dosyć dokład­nie osu­szyć za pomocą bibuły i umie­ścić na nie­pal­nej powierzchni, co widać na przed­sta­wio­nych niżej zdjęciach.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Obser­wa­cja w ciem­no­ści ujaw­nia, że fos­for biały, utle­niany powierzch­niowo tle­nem atmos­fe­rycz­nym, prze­ja­wia dosyć wyraźnie widoczną che­mi­lu­mi­ne­scen­cję o bar­wie żółt­o­zie­lon­ka­wej. Szcze­gól­nie wyraźnie uwi­dacz­nia się to na zdjęciach o wydłu­żo­nym cza­sie eks­po­zy­cji (ISO­400, 15s):

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Przy prze­pro­wa­dza­niu doświad­cze­nia konieczna jest duża ostrożn­ość, nie tylko z powodu wspom­nia­nych uprzed­nio wła­ści­wo­ści tok­sycz­nych fos­foru. Koniecz­nie trzeba pamiętać, że nawet pod­czas powol­nego utle­nia­nia, próbka fos­foru się roz­grzewa, co może pro­wa­dzić do samo­za­płonu. Pło­nący fos­for wytwa­rza tem­pe­ra­turę rzędu 1300°C i nie daje się uga­sić wodą. Pow­stają wtedy także duże ilo­ści duszącego, żrącego dymu, którego głów­nym skład­ni­kiem jest tle­nek fos­foru(V) P4O10.

A jeśli nie posia­damy bia­łego fos­foru? Nic nie stoi na przesz­ko­dzie, by otrzy­mać nie­wiel­kiego jego ilo­ści z fos­foru czer­wo­nego, który jest nie­tok­syczny i bar­dziej sta­bilny che­micz­nie niż odmiana biała.

Ilustracja: fosfor czerwony

fosfor czerwony

W tym celu na dno pro­bówki należy wsy­pać kilka mg fos­foru czer­wo­nego, a następ­nie napełnić ją dwu­tlen­kiem węgla CO2 i zat­kać dosyć ści­śle zwit­kiem waty szkla­nej. Dno pro­bówki trzeba bar­dzo ostrożne ogrze­wać pło­mie­niem pal­nika, jed­no­cze­śnie chło­dząc jej ścianki wil­gotną bibułą, według sche­matu:

Ilustracja

W pod­wyższo­nej tem­pe­ra­tu­rze fos­for czer­wony prze­ksz­tałca się w fos­for biały, którego pary kon­den­sują na chło­dzo­nej ściance pro­bówki. Przed nie­kon­tro­lo­wa­nym zapło­nem chroni wypełn­ia­jący wnętrze pro­bówki dwu­tle­nek węgla CO2.

Ilustracja: otrzymany fosfor biały

otrzymany fosfor biały

Po och­ło­dze­niu pro­bówki, należy wyciągnąć korek z waty szkla­nej, tak by umożl­i­wić kon­takt pow­sta­łego fos­foru bia­łego z tle­nem atmos­fe­rycz­nym. W ciem­no­ści można wtedy wyraźnie zau­wa­żyć poświatę che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, co jest widoczne także na zdjęciu (ISO­400, 10s):

Ilustracja: chemiluminescencja

chemiluminescencja

Po wszyst­kich doświad­cze­niach fos­for należy prze­nieść z pow­ro­tem do naczy­nia z wodą, lub uniesz­ko­dli­wić, na przy­kład przez spa­le­nie w kon­tro­lo­wa­nych warun­kach albo wytrząsa­nie ze stężo­nym roz­two­rem siar­czanu(VI) mie­dzi(II) CuSO4, co pro­wa­dzi do pow­sta­nia fos­forku mie­dzi.

Wyja­śnie­nie

Emi­sja świa­tła przez fos­for biały jest spo­wo­do­wana przez jego utle­nia­nie, o czym nas prze­ko­nuje fakt, że ustaje ona w warun­kach bez­tle­no­wych. Reak­cje che­mi­lu­mi­ne­scen­cji zacho­dzą zwy­kle według sche­matu:

X → [Y]* → Y + hν

W wyniku reak­cji sub­stratu (lub sub­stra­tów) X pow­staje pro­dukt przej­ściowy [Y]* występu­jący w sta­nie wzbu­dzo­nym. Wzbu­dze­nie jest sta­nem o wyso­kiej ener­gii, a przez to nie­tr­wa­łym. Pro­dukt przej­ściowy prze­ksz­tałca się więc spon­ta­nicz­nie w pro­dukt osta­teczny Y, o niższej ener­gii. Nad­wyżka ener­gii prze­ksz­tałca się w ener­gię pro­mie­ni­stą .

W opi­sa­nych warun­kach fos­for jest utle­niany naj­pierw do mało lot­nych, niższych tlen­ków fos­foru o nie­zbyt dobrze pozna­nym skła­dzie, a te są dalej utle­niane do tlenku fos­foru(V) P4O10. Wła­śnie ta reak­cja jest odpo­wie­dzialna za widoczne świe­ce­nie.

Mecha­nizm tej reak­cji wydaje się być podobny do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji meta­licz­nego sodu, mimo, że fos­for jest typo­wym nie­me­ta­lem.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa