Weird Science

Chemiluminescencja metalicznego sodu

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (1/2014):

Ilustracja

Ples M., Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja meta­licz­nego sodu, Che­mia w Szkole, 1 (2014), Wydaw­nic­two Edu­Press, str. 5-7.

Wstęp

Che­mia, jako dzie­dzina nauki, obok zain­te­re­so­wa­nia wła­ści­wo­ściami sub­stan­cji budu­jących nasz świat, zaj­muje się przede wszyst­kim prze­mia­nami tych sub­stan­cji. Reak­cje che­miczne można rozu­mieć jako formę prze­ksz­tałc­a­nia się jed­nych sub­stan­cji w inne, co obja­wia się zmia­nami wła­ści­wo­ści fizycz­nych i che­micz­nych, takich jak na przy­kład stan sku­pie­nia, gęstość, zapach czy barwa. Należy jed­nak zazna­czyć, że zmiany te nie zaw­sze są dostrze­galne dla naszych zmy­słów. Nie dziwi więc, że w dosyć pow­szech­nym mnie­ma­niu reak­cje te są formą prze­miany jedy­nie mate­rii. Wiemy jed­nak, że pro­ce­som che­micz­nym towa­rzy­szą także efekty ener­ge­tyczne. Często są one sto­sun­kowo sub­telne i może dla­tego, szcze­gól­nie w dydak­tyce, trak­to­wane bywają jako coś odręb­nego, czy wręcz mniej ważn­ego.

Reak­cje che­mi­lu­mi­ne­scen­cyjne należą do klasy reak­cji egzo­e­ner­ge­tycz­nych. Pow­sta­jące w ich trak­cie pro­mie­nio­wa­nie widzialne pow­staje kosz­tem ener­gii che­micz­nej. Omówie­nie tego zja­wi­ska może być inte­re­su­jącym uro­z­ma­i­ce­niem dydak­tyki che­mii.

W tym miej­scu warto się zasta­no­wić, dla­czego zwy­kle poprze­staje się na pre­zen­ta­cji wyłącz­nie efektu ciepl­nego reak­cji? Pewną rolę może grać fakt, że reak­cje che­mi­lu­mi­ne­scen­cyjne wydają się mniej znane. Nie jest to jed­nak prawda; wiele z nich zostało prze­cież dosko­nale opi­sa­nych. Ważn­iej­sze wydaje się to, że sub­straty konieczne do ich prze­pro­wa­dze­nia są często dro­gie lub sil­nie tok­syczne. Pro­ble­mem może być także ich niska dostęp­ność, a wła­sno­ręczna syn­teza w warun­kach naj­czę­ściej słabo wypo­sa­żo­nego labo­ra­to­rium szkol­nego bywa kło­po­tliwa. Nie może być to jed­nak wytłu­ma­cze­niem, ponie­waż che­mi­lu­mi­ne­scen­cję można uzy­skać nawet w przy­padku dosyć pow­szech­nie dostęp­nych sub­stan­cji.

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. Dziś wiemy, że w tym przy­padku świe­ce­nie jest efek­tem powol­nego utle­nia­nia fos­foru. Reak­cja ta jed­nak nie zachęca do jej wła­sno­ręcz­nego prze­pro­wa­dze­nia, ponie­waż fos­for biały jest eks­tre­mal­nie tok­syczny - 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.

Dużo mniej zna­nym przy­kła­dem che­mi­lu­mi­ne­scen­cji jest świe­ce­nie towa­rzy­szące utle­nia­niu metali alka­licz­nych, głów­nie sodu. Metal ten jest sto­sun­kowo pow­szech­nie dostępny w szkol­nych pra­cow­niach che­micz­nych, gdzie wyko­rzy­stuje się go do demon­stra­cji reak­tyw­no­ści metali pierw­szej grupy głów­nej układu okre­so­wego. Pier­wia­stek ten nie jest też tru­jący, a jego pozo­sta­ło­ści sto­sun­kowo łatwo usu­nąć. Wszyst­kie te cechy pre­dy­sty­nują reak­cję powol­nego utle­nia­nia sodu jako dosko­nały przy­kład do zazna­jo­mie­nia się z che­mi­lu­mi­ne­scen­cją, mimo iż świa­tło jest mniej inten­sywne niż w przy­padku fos­foru. Przy­to­czony niżej opis doświad­cze­nia jest dowo­dem, że eks­pe­ry­menty z che­mi­lu­mi­ne­scen­cją nie muszą być dro­gie, czy trudne do bez­piecz­nego prze­pro­wa­dze­nia.

Doświad­cze­nie i obser­wa­cje

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia nie jest skom­pli­ko­wane. Należy zao­pa­trzyć się w nie­wielki blo­czek sodu, o objęto­ści kilku cen­ty­me­trów sze­ścien­nych. Sód musi być stale prze­cho­wy­wany pod war­stwą oleju lub nafty. W pro­po­no­wa­nym doświad­cze­niu łatwiej użyć sodu prze­cho­wa­nego w naf­cie, ponie­waż frag­ment wzięty do doświad­cze­nia należy dosyć dokład­nie osu­szyć, papie­ro­wym ręcz­ni­kiem lub bibułą fil­tra­cyjną. Z racji swo­jej reak­tyw­no­ści, powierzch­nia metalu jest pokryta war­stwą tlen­ków i innych pro­duk­tów reak­cji (Ryc. 1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.1

Sód jest meta­lem bar­dzo mięk­kim, wystar­czy więc prze­kroić go nożem, by uka­zać czy­stą, sre­brzy­stą powierzch­nię metalu, co można zoba­czyć na Ryc. 2.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.2

Powierzch­nia sodu dosyć szybko mato­wieje, co jest spo­wo­do­wane reak­cją z tle­nem atmos­fe­rycz­nym. Pro­ces ten należy obser­wo­wać w zaciem­nio­nym pomiesz­cze­niu. Po kil­ku­mi­nu­to­wym przy­zwy­cza­je­niu oczu do ciem­no­ści daje się zaob­ser­wo­wać słabe, ale wyraźnie widoczne świa­tło, barwy żółt­a­wej. Poświatę można zare­je­stro­wać na foto­gra­fii (Ryc. 3) o wydłu­żo­nym cza­sie eks­po­zy­cji (ISO­400, 60s, powięk­szono kon­trast).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.3

Widzimy więc, że che­mi­lu­mi­ne­scen­cja sodu daje się sto­sun­kowo łatwo zau­wa­żyć nawet w zwy­kłych warun­kach. Warto odno­to­wać fakt, że świe­ce­nie występuje w przy­padku odsło­niętej powierzchni metalu, miej­sca pokryte grubą war­stwą tlen­ków pozo­stają ciemne.

Można się też zasta­no­wić, czy nie da się wzmoc­nić efektu. Jak wia­domo, szyb­kość reak­cji che­micz­nych w zde­cy­do­wa­nej więk­szo­ści przy­pad­ków zwięk­sza się wraz ze wzro­stem tem­pe­ra­tury. Podob­nie jest w tym przy­padku, dzięki czemu jasność zaob­ser­wo­wa­nego świa­tła powinna się zwięk­szyć w wyższej tem­pe­ra­tu­rze. By to osiągnąć, należy wykroić z sodu cienki pla­ster, umie­ścić go na płytce meta­lo­wej, a następ­nie wraz z nią ogrze­wać na pły­cie grzej­nej (Ryc. 4A) do tem­pe­ra­tury 40-50 °C. Utle­nia­nie sodu następuje wtedy wyraźnie szyb­ciej, a che­mi­lu­mi­ne­scen­cja jest dostrze­galna już po kil­ku­se­kun­do­wym przy­zwy­cza­je­niu oczu do ciem­no­ści. Efekt można zoba­czyć na Ryc. 4B (ISO­400, 20s, powięk­szono kon­trast).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ryc.4

Inten­syw­ność świe­ce­nia nie jest jed­no­rodna - jest szcze­gól­nie duża w miej­scu, gdzie bez­po­śred­nio przed wyko­na­niem zdjęcia zdra­pano war­stwę pow­sta­łych uprzed­nio tlen­ków odsła­nia­jąc metal (Ryc. 4B, zazna­czono gwiazdką). Świe­ce­nie wzmaga także przed­mu­chi­wa­nie próbki metalu suchym powie­trzem, co dostar­cza więk­szych ilo­ści tlenu do reak­cji. Nie należy jed­nak sto­so­wać czy­stego tlenu, ponie­waż może się to skończyć trud­nym do uga­sze­nia zapło­nem sodu!

Pozo­stały po doświad­cze­niu metal należy prze­nieść z pow­ro­tem do naczy­nia z ole­jem albo naftą i wyko­rzy­stać w przy­szło­ści do podob­nych lub innych doświad­czeń. Mniej­szych frag­men­tów można się pozbyć przez pod­da­nie ich reak­cji z wodą.

Wyja­śnie­nie

Zgod­nie z zasadą zacho­wa­nia ener­gii, nie może ona pow­stać z niczego lub znik­nąć bez śladu. Jeśli suma ener­gii wew­nętrz­nych pro­duk­tów jest niższa niż sub­stra­tów, to nad­wyżka ener­gii musi zostać oddana do śro­do­wi­ska. Naj­czę­ściej dzieje się to na spo­sób cie­pła, ale w przy­padku dostrze­gal­nej ludz­kim okiem che­mi­lu­mi­ne­scen­cji część ener­gii zostaje wypro­mie­nio­wana w postaci pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego, o dłu­go­ści odpo­wia­da­jącej świa­tłu widzial­nemu. W ten spo­sób, w odpo­wied­nich warun­kach, rea­guje utle­niany fos­for biały, lumi­nol, lucy­ge­nina, a także meta­liczny sód.

Reak­cje che­mi­lu­mi­ne­scen­cji zacho­dzą zwy­kle według przed­sta­wio­nego niżej 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 .

Bada­nia wska­zują, że w przy­padku sodu za che­mi­lu­mi­ne­scen­cję naj­praw­do­po­dob­niej odpo­wiada reak­cja O + NaO. Tak więc ener­gia wydziela się pod­czas utle­nia­nia wspom­nia­nego wcze­śniej, sil­nie reak­tyw­nego rod­nika do sta­bil­nego tlenku Na2O, będącego pro­duk­tem osta­tecz­nym. Z racji sto­sun­kowo niskiej, nawet jak na reak­cje che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, wydaj­no­ści kwan­to­wej reak­cji, zde­cy­do­wana więk­szość ener­gii prze­ksz­tałca się w cie­pło. Jedy­nie bar­dzo nie­wielka jej część zostaje wypro­mie­nio­wana pod posta­cią żółt­a­wego świa­tła. W wil­got­nym powie­trzu lumi­ne­scen­cja jest wyraźnie słab­sza, z racji zacho­dze­nia kon­ku­ren­cyj­nej reak­cji sodu z parą wodną, pro­wa­dzącej do pow­sta­nia wodo­ro­tlenku sodu NaOH, a nie będącej źródłem świa­tła.

Trzeba zazna­czyć, że pre­zen­to­wana reak­cja może mieć miej­sce także w warun­kach natu­ral­nych, a nie wyłącz­nie w labo­ra­to­rium. Oka­zuje się, że zacho­dzi ona w atmos­fe­rze ziem­skiej. Dzieje się to na progu ter­mos­fery, na wyso­ko­ści około 90km, gdzie znaj­duje się war­stwa roz­pro­szo­nych ato­mów sodu. Pow­stałe w ten spo­sób pro­mie­nio­wa­nie jest bar­dzo nikłe, jed­nak może być wykryte za pomocą odpo­wied­nich przy­rządów, na przy­kład fotom­nożn­i­ków.

Wydaje się, że przed­sta­wione zja­wi­sko jest ana­lo­giczne do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji bia­łego fos­foru.

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa