Weird Science

Światło z retorty

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (5/2014):

Ilustracja

Ples M., Świa­tło z retorty, Che­mia w Szkole, 5 (2014), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 33-34.

No… może nie­ko­niecz­nie z retorty, ale w każdym razie w labo­ra­to­rium. Che­mi­lu­mi­ne­scen­cją nazy­wamy zja­wi­sko emi­sji pro­mie­nio­wa­nia świetl­nego wytwo­rzo­nego w wyniku spe­cy­ficz­nych reak­cji che­micz­nych. Che­mi­lu­mi­ne­scen­cję wyka­zuje wiele sub­stan­cji w toku odpo­wied­nich reak­cji, zwy­kle utle­nia­nia: lucy­fe­ryna w obec­no­ści enzymu lucy­fe­razy, lumi­nol, układ piro­ga­lol-for­mal­de­hyd, biały fos­for, a nawet meta­liczny sód [1]. Zja­wi­sko to można zaob­ser­wo­wać także w odnie­sie­niu do sin­gle­to­wej odmiany tlenu.

Tlen jest gazem występu­jącym w postaci dwu­a­to­mo­wych cząste­czek. Dla tlenu O2 sta­nem pod­sta­wo­wym jest forma try­ple­towa (ozna­czana jako 3O2) o dwóch nie­spa­ro­wa­nych elek­tro­nach w cząsteczce, będąca więc rod­ni­kiem (Rys.1A). Nato­miast wzbu­dzona cząsteczka ze wszyst­kimi spa­ro­wa­nymi elek­tro­nami występuje w sta­nie sin­gle­to­wym 1O2. Ist­nieją dwie odmiany stanu sin­gle­to­wego tlenu, różn­iące się spo­so­bem roz­miesz­cze­nia elek­tro­nów na orbi­ta­lach mole­ku­lar­nych π*2p:

Ilustracja
Rys. 1

W przy­padku tlenu zacho­dzi nie­ty­powa sytu­a­cja - tlen try­ple­towy 3O2 (będący rod­ni­kiem) występuje w sta­nie pod­sta­wo­wym, zaś sin­gle­towy o całk­o­wi­cie spa­ro­wa­nych elek­tro­nach odpo­wiada sta­nom wzbu­dzo­nym o wyższej ener­gii.

Jak można się domy­ślać, sin­gle­towa forma tlenu jest nie­tr­wała i może spon­ta­nicz­nie przejść w try­ple­tową. Zgod­nie z zasadą zacho­wa­nia ener­gii, jej nad­miar może zostać uwol­niony, na przy­kład pod­czas reak­cji utle­nia­nia lub w for­mie emi­sji pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego z zakresu świa­tła widzial­nego (lub zbli­żo­nego).

W przy­padku izo­lo­wa­nej cząsteczki tlenu jej przej­ście ze stanu try­ple­to­wego do sin­gle­to­wego jest jed­nak ści­śle zabro­nione przez reguły wyboru, okre­śla­jące warunki oddzia­ły­wa­nia z pro­mie­nio­wa­niem elek­tro­ma­gne­tycz­nym. Czyni to takie przej­ście wysoce nie­praw­do­po­dob­nym. Wyko­rzy­sta­nie sen­sy­bi­li­za­to­rów (głów­nie barw­ni­ków orga­nicz­nych, np. błękitu mety­le­no­wego lub por­fi­ryn) umożl­i­wia jed­nak taki pro­ces [2].

Tlen sin­gle­towy można też wytwa­rzać w spo­sób typowo che­miczny, np. prze­pusz­cza­jąc stru­mień chloru przez alka­liczny, sch­ło­dzony 30% roz­twór nad­tlenku wodoru (Fot.1). Metoda ta, cho­ciaż naj­czę­ściej pro­po­no­wana, ma z punktu widze­nia dydak­tyki poważną wadę. Jest nią koniecz­ność ope­ro­wa­nia gazo­wym chlo­rem, który jak wia­domo jest sil­nie tok­syczny, a prze­cho­wy­wa­nie go może nastręczać poważn­ych trud­no­ści [3].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 - Pro­duk­cja tlenu sin­gle­to­wego przy uży­ciu wol­nego chloru (ISO:400, 5s)

Dla­tego pra­gnę zapro­po­no­wać Czy­tel­ni­kowi inną, łatwiej­szą i bez­piecz­niej­szą metodę wytwa­rza­nia tlenu sin­gle­to­wego i obser­wo­wa­nia jego che­mi­lu­mi­ne­scen­cji. W tym celu będą potrzebne jedy­nie dwie, sto­sun­kowo łatwo dostępne sub­stan­cje:

Dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ran sodu jest wyko­rzy­sty­wany jako śro­dek odka­ża­jący do zasto­so­wań sani­tar­nych. Han­dlowy pro­dukt, występu­jący naj­czę­ściej w postaci table­tek (Fot. 2), zawiera zwy­kle przy­najm­niej 80% dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ranu i dosko­nale nadaje się do prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 - Tabletka dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ranu sodu

Nie wolno zapo­mi­nać o zagro­że­niach! Per­hy­drol jest żrący i w zetk­nięciu ze skórą wywo­łuje zmiany mar­twi­cze. Należy bezw­zględ­nie uni­kać zanie­czysz­cze­nia oczu lub skóry! Konieczne jest sto­so­wa­nie ręka­wic i oku­la­rów och­ron­nych! Dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ran sodu jest szko­dliwy, a w kon­tak­cie z wodą i kwa­sami uwal­nia tok­syczne gazy. W cza­sie reak­cji wywiązuje się chlor, który jest sil­nie tru­jący - prace trzeba pro­wa­dzić pod wyciągiem lub na zew­nątrz!

Prze­pro­wa­dze­nie doświad­cze­nia jest pro­ste. Na dno zlewki o pojem­no­ści 100-200 cm3 należy wlać około 30 cm3 per­hy­drolu. Następ­nie trzeba zaciem­nić pomiesz­cze­nie i dodać dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ran sodu, w postaci proszku lub tabletki. W cza­sie gwałt­ow­nej reak­cji uwal­nia się duża ilość gazów, a mie­sza­nina pieni się. Jed­no­cze­śnie docho­dzi do che­mi­lu­mi­ne­scen­cji: można zau­wa­żyć świa­tło o pięk­nej, jasno­czer­wo­nej bar­wie (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 - Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja tlenu sin­gle­to­wego (ISO:400, 5s)

Wyja­śnie­nie

Począt­kowo docho­dzi do reak­cji wody z anio­nem dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ra­no­wym:

C3N3O3Cl2- + 2H2O → C3N3O3H2- + 2H+ + 2ClO-

W efek­cie pow­stają kationy wodo­rowe i aniony: cyja­nu­ra­nowy i chlo­ra­nowy(I) [4]. Ten ostatni rea­guje dalej z nad­tlen­kiem wodoru:

ClO- + H2O2 → ClOO- + H2O

Pow­stały anion nad­tle­no­ch­lo­rowy jest nie­tr­wały i roz­pada się na tlen oraz anion chlor­kowy:

ClOO- → 1O2 + Cl-

Pow­stały tlen występuje począt­kowo w sta­nie sin­gle­to­wym. Pod­czas jego prze­ksz­tałc­e­nia do formy try­ple­to­wej jako pod­sta­wo­wej, różn­ica ener­gii musi być oddana do śro­do­wi­ska zgod­nie z zasadą zacho­wa­nia ener­gii, na przy­kład w postaci pro­mie­nio­wa­nia. Różn­ica ener­gii między sta­nem pod­sta­wo­wym, a sin­gle­to­wym o dwóch spa­ro­wa­nych elek­tro­nach obsa­dzo­nych na jed­nym orbi­talu π*2p wynosi 94,3kJ/mol, co odpo­wiada ener­gii fali świetl­nej o dłu­go­ści około 1270nm, to jest bli­skiej pod­czer­wieni. Taka che­mi­lu­mi­ne­scen­cja nie byłaby oczy­wi­ście dostrze­galna gołym okiem, ponie­waż emi­to­wane świa­tło leży poza zakre­sem świa­tła widzial­nego.

W przy­padku występo­wa­nia wyso­kiej kon­cen­tra­cji tlenu sin­gle­to­wego docho­dzi rów­nież do emi­sji pro­mie­nio­wa­nia o dłu­go­ści 634nm (świa­tło czer­wone). Dzieje się tak w momen­tach zde­rze­nia dwóch cząste­czek 1O2. Wła­śnie to zja­wi­sko obser­wu­jemy w przed­sta­wio­nym doświad­cze­niu.

Reak­cję tę można sche­ma­tycz­nie przed­sta­wić zgod­nie z ogól­nym mecha­ni­zmem reak­cji che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, przed­sta­wio­nym poni­żej.

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 hν. Sub­stra­towi X, pro­duk­towi przej­ścio­wemu [Y]* i pro­duk­towi osta­tecz­nemu Y odpo­wia­dają więc tutaj, kolejno: anion nad­tle­no­ch­lo­rowy ClOO-, tlen sin­gle­towy 1O2 oraz tlen try­ple­towy 3O2.

Lite­ra­tura:

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.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Efekt uzy­skany w doświad­cze­niu można zoba­czyć też na poniższym fil­mie:

Marek Ples

Aa