Weird Science

Chemiluminescencja z kuchni - reakcja dla każdego

English ver­sion is here

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (2/2025):

Ilustracja

Ples M., Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja z kuchni - reak­cja dla każd­ego, Che­mia w Szkole, 2 (2025), str. 40–42

Che­mia skrywa wiele fascy­nu­jących tajem­nic, a niek­tóre z nich możemy odkryć nawet w naszej kuchni. Nauka che­mii nie musi być trudna ani nudna – wręcz prze­ciw­nie, może dostar­czać nie­sa­mo­wi­tych wra­żeń i satys­fak­cji. Eks­pe­ry­men­to­wa­nie pozwala lepiej zro­zu­mieć ota­cza­jący nas świat i roz­wi­jać umie­jęt­ność logicz­nego myśle­nia. Dzięki pro­stym doświad­cze­niom możemy na wła­sne oczy zoba­czyć, jak dzia­łają pro­cesy che­miczne, które na co dzień pozo­stają ukryte.

Jed­nym z naj­bar­dziej nie­zwy­kłych zja­wisk che­micz­nych jest che­mi­lu­mi­ne­scen­cja, czyli pro­ces, w którym sub­stan­cje emi­tują świa­tło bez koniecz­no­ści ogrze­wa­nia. Możemy ją zaob­ser­wo­wać w przy­ro­dzie, np. u chrząsz­czy z rodzaju świe­tli­ków Lam­py­ris lub niek­tórych orga­ni­zmów mor­skich [1]. Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja od wie­ków fascy­no­wała ludzi – daw­niej w for­mie natu­ral­nej bio­lu­mi­ne­scen­cji, a następ­nie już za pomocą sztucz­nie wytwo­rzo­nych ukła­dów reak­cyj­nych, z których niek­tóre całk­iem łatwo jest odtwo­rzyć w naszej pra­cowni [2] [3]. Dziś znaj­duje zasto­so­wa­nie m.in. w medy­cy­nie, kry­mi­na­li­styce oraz prze­my­śle roz­ryw­ko­wym.

Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja to jedno z nie­wielu zja­wisk, które pozwala zamie­nić ener­gię innego rodzaju bez­po­śred­nio w świa­tło, bez udziału cie­pła. Ozna­cza to, że reak­cje tego typu mogą być wyko­rzy­stane w miej­scach, gdzie tra­dy­cyjne źródła świa­tła nie są łatwe do zasto­so­wa­nia, np. w spe­le­o­lo­gii.

Nie­stety, wiele reak­cji che­mi­lu­mi­ne­scen­cyj­nych wymaga do ich prze­pro­wa­dze­nia sto­sun­kowo dro­gich, mało dostęp­nych, a cza­sem też i tok­sycz­nych sub­stan­cji. Na szczę­ście ist­nieją też takie pro­cesy, do których skład­niki będziemy mogli skom­ple­to­wać z łatwo­ścią, nie­wiel­kim kosz­tem i bez zagro­że­nia życia. Jeden z nich chciałbym zapro­po­no­wać wła­śnie dziś moim Sza­now­nym Czy­tel­ni­kom, ponie­waż jest to dosko­nała oka­zja do lep­szego zro­zu­mie­nia prze­mian ener­ge­tycz­nych zacho­dzących pod­czas reak­cji che­micz­nych.

Czego potrze­bu­jemy?

Na trop doświad­cze­nia tra­fi­łem szu­ka­jąc inspi­ra­cji w daw­nych nume­rach cza­so­pi­sma Jour­nal of Che­mi­cal Edu­ca­tion, gdzie John­son opi­suje swoje doświad­cze­nia z che­mi­lu­mi­ne­scen­cją wyciągów roślin­nych [4]. Ponie­waż temat wydał mi się tak inte­re­su­jący, jak i cokol­wiek zapom­niany, posta­no­wi­łem poczy­nić wła­sne doświad­cze­nia w tym kie­runku, zastępu­jąc wyko­rzy­sty­waną w ory­gi­nal­nej pracy fasolę półk­s­ięży­co­watą Pha­se­o­lus luna­tus łatwiej, czy raczej nawet pow­szech­nie dostęp­nymi u nas nasio­nami gro­chu zwy­czaj­nego Pisum sati­vum,będącego gatun­kiem rośliny strącz­ko­wej jed­no­rocz­nej z rodziny bobo­wa­tych Faba­ceae. Groch pocho­dzi z zachod­niej Azji i Kau­kazu, wschod­niej i połu­dnio­wej Europy oraz Afryki Półn­oc­nej, a dziś jest upra­wiany w wielu rejo­nach świata [5]. Do doświad­cze­nia nadają się w szcze­gól­no­ści suszone, łuskane nasiona gro­chu (Fot.1). Są one wyko­rzy­sty­wane w sztuce gastro­no­micz­nej, możemy je więc kupić w skle­pie spo­żyw­czym.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 - Nasiona gro­chu wyko­rzy­stane w doświad­cze­niu

Poza nasio­nami gro­chu do prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia nie­zbędne będą też następu­jące sub­stan­cje che­miczne:

Nad­tle­nek wodoru, w stęże­niu 3% jest pow­szech­nie sto­so­wany (woda ulte­niona) jako śro­dek dezyn­fe­ku­jący do prze­my­wa­nia ran oraz do wybie­la­nia wło­sów lub tka­nin. Jest względ­nie bez­pieczny w tym stęże­niu, ale może podrażn­iać skórę lub błony ślu­zowe przy dłuższym kon­tak­cie. W przy­padku połk­nięcia więk­szych ilo­ści może powo­do­wać nud­no­ści oraz bóle brzu­cha.

Wodo­ro­tle­nek potasu lub sodu jako mocne zasady są uży­wane m.in. w pro­duk­cji mydeł, środ­ków czysz­czących lub w prze­my­śle che­micz­nym. Są sil­nie żrące i mogą powo­do­wać poważne opa­rze­nia skóry, usz­ko­dze­nia oczu, a wdy­cha­nie ich opa­rów podrażnia drogi odde­chowe. Pod­czas ich roz­pusz­cza­nia w wodzie wydzie­lają duże ilo­ści cie­pła, co zwięk­sza ryzyko opa­rzeń.

Chlo­ran(I) sodu, znany też jako pod­ch­lo­ryn sodu, sta­nowi główny skład­nik wielu wybie­la­czy do tka­nin. Działa też bak­te­rio­bój­czo. Jest sil­nie żrący, może usz­ka­dzać skórę, oczy i drogi odde­chowe. Groźny w połącze­niu z kwa­sami (np. octem) lub amo­nia­kiem, gdyż uwal­nia tok­syczne gazy (chlor i chlo­ra­minę). Do doświad­cze­nia można wyko­rzy­stać roz­twór chlo­ranu(I) w postaci tzw. chlo­ro­wego wybie­la­cza, naj­le­piej z gatunku tych tańszych, ponie­waż zawie­rają one mniej dodat­ko­wych skład­ni­ków.

Alko­hol ety­lowy o stęże­niu 70% i wyższym jest sku­tecz­nym środ­kiem dezyn­fe­ku­jącym (nisz­czy błony komór­kowe bak­te­rii i wiru­sów). Jest łatwo­palny – opary mogą zapło­nąć w obec­no­ści źródła ognia. Spo­żyty w dużych ilo­ściach działa tok­sycz­nie na układ ner­wowy i wątrobę, co jed­nak nie przesz­ka­dza aby był jedną z naj­pow­szech­niej­szych uży­wek.

W tym doświad­cze­niu naj­więk­sze ryzyko jest związane z wyko­rzy­sta­niem roz­two­rów moc­nych zasad i chlo­ranu(I) sodu ze względu na wła­ści­wo­ści żrące i reak­tyw­ność tych sub­stan­cji. Pamiętajmy więc, żeby zaw­sze sto­so­wać odpo­wied­nie środki och­rony oso­bi­stej.

Dodat­kowo będziemy potrze­bo­wać drob­nego sprzętu labo­ra­to­ryj­nego i naczyń.

Przy­go­to­wa­nia

Pierw­szym kro­kiem jaki musimy zro­bić w dro­dze do upra­gnio­nego efektu jest przy­go­to­wa­nie eks­traktu z gro­chu. Do zlewki wsy­pu­jemy około 20g suszo­nego gro­chu, po czym zale­wamy go 50cm3 wody i ogrze­wamy do wrze­nia. Po około 15 minu­tach goto­wa­nia należy odfil­tro­wać stałe pozo­sta­ło­ści i zebrać wodny eks­trakt, który może być nieco mętny, o żółt­a­wym zabar­wie­niu (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 - wyciąg z gro­chu

Eks­trakt jest nie­tr­wały i warto go wyko­rzy­stać bez­po­śred­nio po ostu­dze­niu, ewen­tu­al­nie można go prze­cho­wy­wać nie­zbyt długo w lodówce.

Następ­nie przy­go­to­wu­jemy kolejne roz­twory:

Pokaz!

Aby prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie, w zlewce umiesz­czamy po 5cm3 eks­traktu z gro­chu oraz roz­two­rów A i B (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 - Gotowy roz­twór

Po zaciem­nie­niu pomiesz­cze­nia i przy­najm­niej kil­ku­na­sto­se­kun­do­wym przy­zwy­cza­je­niu oczu do ciem­no­ści wle­wamy do uprzed­nio przy­go­to­wa­nej mie­sza­niny powol­nym stru­mie­niem około 12cm3 roz­tworu C. Mie­sza­niu się cie­czy towa­rzy­szy nie­zbyt inten­sywna, ale dosko­nale widoczna emi­sja świa­tła, co łatwo uch­wy­cić na foto­gra­fii o kil­ku­se­kun­do­wym cza­sie eks­po­zy­cji (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 - Widoczna che­mi­lu­mi­ne­scen­cja (czas naświe­tla­nia: 3s)

Roz­twór po reak­cji pozo­staje bez­barwny (Fot.5) i można go po roz­cieńcze­niu wylać do zlewu, po czym spłu­kać więk­szą ilo­ścią wody.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 - Pozo­sta­łość po reak­cji

Wyja­śnie­nie

Świa­tło pow­sta­jące w wyniku reak­cji to efekt utle­nia­nia sub­stan­cji obec­nych w gro­chu. W tym przy­padku trudno wska­zać kon­kretne indy­wi­duum che­miczne odpo­wie­dzialne za che­mi­lu­mi­ne­scen­cję, ponie­waż nie zostało to jesz­cze zba­dane. W każdym razie reak­cja ta powinna zacho­dzić według sche­matu wspól­nego dla innych, lepiej pozna­nych reak­cji che­mi­lu­mi­ne­scen­cyj­nych:

X → [Y]* → Y + hν

W wyniku reak­cji sub­stratu (a raczej sub­stra­tów) X pow­staje pro­dukt przej­ściowy [Y]* występu­jący w sta­nie wzbu­dzo­nym o wyso­kiej ener­gii. Jest to jed­nak sytu­a­cja nie­tr­wała i prze­ksz­tałca się on do pro­duktu osta­tecz­nego Y ist­nie­jącego w sta­nie pod­sta­wo­wym, o niższej ener­gii. Zgod­nie z zasadą zacho­wa­nia różn­ica ener­gii między sta­nem wzbu­dzo­nym a pod­sta­wo­wym zostaje oddana do śro­do­wi­ska. W przy­padku che­mi­lu­mi­ne­scen­cji pro­ces ten zacho­dzi na dro­dze emi­sji pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego.

Warto zau­wa­żyć, że zamiast gro­chu można tu wyko­rzy­stać inny suro­wiec pocho­dze­nia roślin­nego – testo­wa­łem owoce orza­chy podziem­nej Ara­chis hypo­gaea (orzeszki ziemne) i także udało mi się zaob­ser­wo­wać wyraźne świe­ce­nie.

Inte­re­su­jące, że wzmiankę o tej reak­cji można spot­kać w uwa­ża­nej za jedno z naj­lep­szych kom­pen­diów wie­dzy prak­tycz­nej dla wykła­dow­ców che­mii książce Sha­kha­shiri’ego „Che­mi­cal Demon­stra­tions: A Hand­book for Tea­chers of Che­mi­stry”. Może zasko­czyć jed­nak fakt, że uznał on jej wyko­rzy­sta­nie na zajęciach za nie­ce­lowe i wprost stwier­dził, że jej nie poleca w tym kie­runku [6]. Ośmielę się jed­nak nie zgo­dzić w tej kwe­stii z owym – skąd­i­nąd bar­dzo przeze mnie sza­no­wa­nym – auto­rem. Moim zda­niem fakt, że w opi­sa­nym doświad­cze­niu możemy zaob­ser­wo­wać che­mi­lu­mi­ne­scen­cję sto­su­jąc tak tanie, łatwe do zdo­by­cia i sto­sun­kowo bez­pieczne sub­stan­cje z nawiązką rekom­pen­suje nieco mniej wido­wi­skowy efekt niż w przy­padku bar­dziej zna­nych che­mi­lu­mi­no­fo­rów. Dzięki temu każdy kto tylko zechce, może samo­dziel­nie prze­ko­nać się o pięk­nie opi­sa­nych tu zja­wisk.

Lite­ra­tura:

  • [1] Ples M., Iskrzyk - żywa latar­nia, Bio­lo­gia w Szkole, 4 (2021), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 52-56 pow­rót
  • [2] Ples M., Całk­iem nie­zwy­kła her­batka, Che­mia w Szkole, 4 (2015), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 6-9 pow­rót
  • [3] Ples M., Czer­wono i nie­bie­sko - dwu­barwna che­mi­lu­mi­ne­scen­cja, Che­mia w Szkole, 3 (2024), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 30-33 pow­rót
  • [4] John­son L. D., Che­mi­lu­mi­ne­scence or cold light inve­sti­ga­tions, Jour­nal of Che­mi­cal Edu­ca­tion, 17(6), 1940, str. 295-296 pow­rót
  • [5] Borecki Z., Solen­berg M., Pol­skie nazwy cho­rób roślin upraw­nych, Pol­skie Towa­rzy­stwo Fito­pa­to­lo­giczne, Poznań, 2017 pow­rót
  • [6] Sha­kha­shiri B. Z., Che­mi­cal Demon­stra­tions, Volume 2: A Hand­book for Tea­chers of Che­mi­stry, The Uni­ver­sity of Wiscon­sin Press, 1983, str. 201 pow­rót

    • 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