Weird Science

Fiolet świeci

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (6/2018):

Ilustracja

Ples M., Fio­let świeci - che­mi­lu­mi­ne­scen­cja pow­szech­nie dostęp­nego związku man­ganu, Che­mia w Szkole, 6 (2018), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, 16-19

Myślę, że nie muszę prze­ko­ny­wać Sza­now­nych Czy­tel­ni­ków, że che­mia i w ogóle nauki przy­rod­ni­cze są bar­dzo cie­ka­wymi dzie­dzi­nami. Jak jed­nak prze­ko­nać o tym innych, którym nauka – zarówno w sen­sie poznaw­czym, jak i dydak­tycz­nym – wydaje się być czymś trud­nym, skom­pli­ko­wa­nym, a przy tym mało inte­re­su­jącym?

Pomocą mogą być tutaj wszel­kiego rodzaju cie­ka­wostki nau­kowe. Ich rolą jest zacie­ka­wie­nie, a więc poch­wy­ce­nie uwagi widza na tę chwilę, która wystar­czy by mógł się on zasta­no­wić nad mecha­ni­zmami obser­wo­wa­nego zja­wi­ska. W czę­ści przy­pad­ków – oby jak naj­więk­szej – będzie to począt­kiem chęci posze­rze­nia wie­dzy, poszu­ki­wa­nia nowych infor­ma­cji i wej­ścia na ścieżkę zro­zu­mie­nia…

Jedną z bar­dziej efek­tow­nych, a przy tym inte­re­su­jących cie­ka­wo­stek che­micz­nych są wszel­kiego rodzaju reak­cje che­mi­lu­mi­ne­scen­cyjne, czyli takie, w których docho­dzi do emi­sji świa­tła nie związa­nej z przy­czyną ter­miczną. Ist­nieje wiele reak­cji tego typu, ale może wydać się zaska­ku­jące, że nawet tak pow­szech­nie dostępna w apte­kach i sto­sun­kowo mało tok­syczna sub­stan­cja jaką jest man­ga­nian(VII) potasu w odpo­wied­nich warun­kach umożl­i­wia zaob­ser­wo­wa­nie che­mi­lu­mi­ne­scen­cji.

Nie poprze­sta­niemy oczy­wi­ście na roz­wa­ża­niach teo­re­tycz­nych, ponie­waż prze­pro­wa­dze­nie doświad­cze­nia nie jest skom­pli­ko­wane.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Doświad­cze­nie

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia wymaga od nas przy­go­to­wa­nia sub­stan­cji z poniższej listy:

Do przy­go­to­wa­nia wszyst­kich opi­sy­wa­nych roz­two­rów należy użyć wody desty­lo­wa­nej.

Man­ga­nian(VII) potasu jest często nazy­wany też nad­man­ga­nia­nem potasu i znaj­duje bar­dzo sze­ro­kie zasto­so­wa­nie m.in. w prze­my­śle i ana­li­zie che­micz­nej, a także w lecz­nic­twie jako śro­dek dezyn­fek­cyjny [1]. Można go z łatwo­ścią kupić w apte­kach – z racji swo­jej barwy bywa nazy­wany “fio­le­tem” (trzeba jed­nak pamiętać, że podob­nie nazywa się wiele innych sub­stan­cji, choćby także sto­so­wany w podob­nych celach fio­let gen­cja­nowy). W warun­kach nor­mal­nych związek ten ma postać ciem­no­fio­le­to­wych, pra­wie czar­nych krysz­ta­łów (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Krysz­tały man­ga­nianu(VII) potasu

Oma­wiana sól dosyć dobrze roz­pusz­cza się w wodzie. Po wrzu­ce­niu do wody nawet mikro­sko­pij­nych krysz­tałków man­ga­nianu(VII) można zau­wa­żyć ciągnące się za nimi cha­rak­te­ry­styczne smugi (Fot.2A), a roz­twory już przy bar­dzo nie­wiel­kich stęże­niach mają łatwą do roz­po­zna­nia fio­le­tową barwę (Fot.2B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Man­ga­nian(VII) potasu; A – barwne smugi ciągnące się za opa­da­jącymi w wodzie krysz­ta­łami soli, B - roz­twór

Man­ga­nian(VII) potasu mimo zasto­so­wa­nia w lecz­nic­twie - coraz rzad­szego zresztą - działa szko­dli­wie na nasz orga­nizm, szcze­gól­nie przy więk­szej eks­po­zy­cji. Przy mani­pu­la­cjach z tą sub­stan­cją trzeba też zaw­sze pamiętać o jej sil­nych wła­ści­wo­ściach utle­nia­jących, ponie­waż mie­sza­niny z reduk­to­rami mogą być nie­sta­bilne.

Boro­wo­do­rek sodu jest nie­or­ga­nicz­nym związ­kiem che­micz­nym z grupy wodor­ków. Jest bia­łym cia­łem sta­łym, w han­dlu występu­jącym często w postaci gra­nu­latu (Fot.3). Wyko­rzy­sty­wany jest głów­nie jako reduk­tor.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Boro­wo­do­rek sodu

Boro­wo­do­rek z łatwo­ścią rea­guje z wodą – nawet w postaci pary wod­nej z powie­trza – według rów­na­nia reak­cji:

NaBH2 + 2H2O → NaBO2 + 4H2

W cza­sie reak­cji pow­staje łatwo­palny wodór. Z tego powodu boro­wo­do­rek sodu musi być prze­cho­wy­wany w pojem­ni­kach bez dostępu wil­goci. Związek ten działa także nisz­cząco na tkanki naszego ciała oraz jest tok­syczny. Z tych powo­dów należy zacho­wać ostrożn­ość przy pracy z nim.

Hek­sa­me­ta­fos­fo­ran(V) sodu jest nie­or­ga­nicz­nym związ­kiem che­micz­nym, a kon­kret­niej solą kwasu meta­fos­fo­ro­wego(V) i sodu. Jego inte­re­su­jący wzór struk­tu­ralny przed­sta­wia Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny hek­sa­me­ta­fos­fo­ranu(V) sodu

Sub­stan­cja ta znaj­duje zasto­so­wa­nie jako śro­dek zmięk­cza­jący wodę w prze­my­śle skórza­nym, włókien­nicz­nym, szklar­skim, barw­ni­kar­skim i innych. Wcho­dzi także w skład wielu środ­ków pio­rących [2]. Związek jest skla­sy­fi­ko­wany na liście che­micz­nych dodat­ków do żyw­no­ści jako E452i, w kla­sie zawie­ra­jącej emul­ga­tory, środki spulch­nia­jące i żelu­jące (E400 – 499). Hek­sa­me­ta­fos­fo­ran(V) nie jest tok­syczny, nie powo­duje też innego zna­czącego zagro­że­nia.

W warun­kach nor­mal­nych hek­sa­me­ta­fos­fo­ran(V) sodu ma postać bia­łego proszku kry­sta­licz­nego (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Hek­sa­me­ta­fos­fo­ran(V) sodu

Roz­twory kwasu siar­ko­wego(VI) i wodo­ro­tlenku sodu należy przy­go­to­wy­wać wyjąt­kowo ostrożnie, ponie­waż obie sub­stan­cje są sil­nie żrące i mogą spo­wo­do­wać nie­bez­pieczne opa­rze­nia.

Wszyst­kie mani­pu­la­cje z che­mi­ka­liami należy wyko­ny­wać z wyko­rzy­sta­niem środ­ków och­rony oso­bi­stej, a także przy jak naj­więk­szej uwa­dze i ostrożn­o­ści. Pow­ta­rzam to, ponie­waż wiem, jak łatwo popaść w rutynę. Bez­pie­czeńs­two jest jed­nak naj­ważn­iej­sze.

Przy­stępu­jąc do wyko­na­nia doświad­cze­nia musimy przy­go­to­wać dwa roz­twory:

Roz­pusz­cze­nie wszyst­kich sub­stan­cji może wyma­gać dosyć ener­gicz­nego mie­sza­nia. Roz­twór A przy sto­sun­kowo dużym stęże­niu man­ga­nianu ma tak ciemny kolor fio­le­towy, że może on się wyda­wać wręcz czarny (Fot.5). Jest on dosyć trwały i – szcze­gól­nie w obni­żo­nej tem­pe­ra­tu­rze oraz bez dostępu świa­tła – może być prze­cho­wy­wany przez pewien czas.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Roz­twór A

Roz­twór B jest bez­barwny (Fot.6). Jak już wspo­mi­na­łem wcze­śniej, boro­wo­do­rek ulega roz­kła­dowi w kon­tak­cie z wodą, tak więc ten roz­twór powi­nien zostać przy­go­to­wany dopiero w ostat­niej chwili przed doświad­cze­niem.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6– Roz­twór B

Mając przy­go­to­wane oba roz­twory możemy przy­stąpić do doświad­cze­nia. W wyso­kiej zlewce o pojem­no­ści przy­najm­niej 100cm3 umiesz­czamy roz­twór A i zaczy­namy go inten­syw­nie mie­szać (Fot.7A). Przy­datne w tym celu jest mie­sza­dło magne­tyczne. Ciągle mie­sza­jąc doda­jemy następ­nie do naczy­nia 2-3cm3 roz­tworu B. Pociąga to za sobą bar­dzo inten­sywne pie­nie­nie się roz­tworu (Fot.7B), który po chwili staje się całk­o­wi­cie bez­barwny (Fot.7C).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7– Doświad­cze­nie; A – ener­gicz­nie mie­szany pierw­szy roz­twór, B – tuż po doda­niu dru­giego roz­tworu, C – po kilku sekun­dach (zanik barwy)

Tak przed­sta­wia się sytu­a­cja, jeśli obser­wa­cje pro­wa­dzimy na świe­tle. Spróbujmy jed­nak w ten sam spo­sób zmie­szać oba roz­twory w ciem­no­ści. Można wtedy stwier­dzić, że zaob­ser­wo­wa­nemu uprzed­nio pie­nie­niu się roz­tworu i zani­kowi barwy towa­rzy­szy krótka, ale dosyć inten­sywna emi­sja czer­wono-poma­rańczo­wego świa­tła (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja związku man­ganu

Obser­wo­wane świa­tło pow­staje na dro­dze che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, tzn. nie ma ono cha­rak­teru pro­mie­nio­wa­nia ter­micz­nego. Widziany przez nas blask pow­staje kosz­tem ener­gii wiązań che­micz­nych rea­gen­tów.

Wyja­śnie­nie

Przed­sta­wiona reak­cja che­mi­lu­mi­ne­scen­cyjna zacho­dzi według rów­na­nia:

8 MnO4 + 5 BH4 + 29 H+ → 8 [Mn2+]* + 5 H3BO3 + 17 H2O

Jak widać, wśród rea­gen­tów występują aniony man­ga­nia­nowe(VII) MnO4 i boro­wo­dor­kowe BH4, oraz kationy wodo­rowe H+. Hek­sa­me­ta­fos­fo­ran(V) sodu pełni funk­cję pomoc­ni­czą. W reak­cji poza wodą H2O, kwa­sem boro­wym H3BO3 pow­stają też jony man­ga­nia­nowe(II) Mn2+. To wła­śnie one pełnią klu­czową rolę w pro­ce­sie che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, ponie­waż począt­kowo występują w tzw. sta­nie wzbu­dzo­nym, o wyso­kiej ener­gii. Sytu­a­cja taka jest jed­nak nie­tr­wała – jon bar­dzo szybko prze­cho­dzi do trwa­łego ter­mo­dy­na­micz­nie stanu pod­sta­wo­wego:

8 [Mn2+]* → 8 Mn2+ + hν

Zgod­nie z zasadą zacho­wa­nia różn­ica ener­gii między sta­nem wzbu­dzo­nym a pod­sta­wo­wym zostaje oddana do śro­do­wi­ska. W więk­szo­ści przy­pad­ków dzieje się to na spo­sób cie­pła, ale w che­mi­lu­mi­ne­scen­cji część wspom­nia­nej ener­gii zostaje prze­ksz­tałc­ona w pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne z zakresu świa­tła widzial­nego. Ener­gię nio­sących ją foto­nów wyraża ilo­czyn sta­łej Plancka h i często­tli­wo­ści drgań ν. W tym przy­padku dłu­gość fali w mak­si­mum emi­sji wynosi około 690 nano­me­trów, co odpo­wiada świa­tłu czer­wo­nemu.

Przed­sta­wiony sche­mat reak­cji X → [Y]* → Y + hν, w którym sub­strat (sub­straty) X prze­ksz­tałca się we wzbu­dzony pro­dukt przej­ściowy [Y]*, spon­ta­nicz­nie odda­jący ener­gię i przyj­mu­jący osta­tecz­nie postać Y jest cha­rak­te­ry­styczny dla prak­tycz­nie wszyst­kich reak­cji che­mi­lu­mi­ne­scen­cji. Wiele zna­nych che­mi­lu­mi­no­fo­rów to związki orga­niczne: lumi­nol C8H7N3O2 (Fot.9A), lofina C21H16N2 (Fot.9B), pochodne orga­nicz­nych szcza­wia­nów uczu­lane odpo­wied­nimi sen­sy­bi­li­za­to­rami (Fot.9C), lucy­ge­nina C28H22N4O6, lucy­fe­ryna C11H8N2O3S2, a nawet poli­fe­nole obecne w zie­lo­nej her­ba­cie (Fot.9D). Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja związ­ków nie­or­ga­nicz­nych występuje rza­dziej, niem­niej jed­nak jest zna­nych także wiele przy­kła­dów tego zja­wi­ska. Na łamach “Che­mii w Szkole” opi­sy­wa­łem już che­mi­lu­mi­ne­scen­cję sin­gle­to­wej odmiany tlenu 1O2 (Fot.9E), meta­licz­nego sodu Na - naj­wy­raźn­iej podobną w swym mecha­ni­zmie do świe­ce­nia bia­łej odmiany alo­tro­po­wej fos­foru P – oraz bar­dzo cie­ka­wego związku krzemu, czyli Si6O3H6 nazy­wa­nego silok­se­nem Wöh­lera (Fot.9F) [4] [5] [6].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9– Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja; A – lumi­nol, B – lofina, C – szcza­wian bis(2,4-dini­tro­fe­nylu) z sen­sy­bi­li­za­to­rem, D - poli­fe­nole z zie­lo­nej her­baty, E – tlen sin­gle­towy, F - silok­sen Wöh­lera

Jak widać, także związki man­ganu są zdolne do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji. Można zmo­dy­fi­ko­wać doświad­cze­nie wyko­rzy­stu­jąc zróżn­i­co­wane związki tego metalu. Łatwo się prze­ko­nać, że występuje tu pewna zależn­ość. Związki, w których man­gan występuje na VII stop­niu utle­nia­nia w wyniku opi­sa­nej reak­cji dają naj­ja­śniej­sze świa­tło. Jeśli weźm­iemy pod uwagę związki man­ganu na innych stop­niach utle­nia­nia (IV, III) to zau­wa­żymy, że inten­syw­ność che­mi­lu­mi­ne­scen­cji spada wraz z tą war­to­ścią. Jeśli wyko­rzy­stamy związek man­ganu(II) to nie zaob­ser­wu­jemy żad­nej emi­sji świa­tła [7]. Powód sta­nie się dosyć jasny, jeśli zwrócimy uwagę, że wzbu­dzony jon Mn2+ pow­staje tutaj w wyniku reduk­cji związ­ków man­ganu na wyższych stop­niach utle­nia­nia.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

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