Химическое свечение

Городское научное соревнование

«Юниор»

Секция «Химия»

 

 

 

 

 

 

 

Тема: «Химическое свечение»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кемерово, 2008 год

 

Содержание

Введение ………………………………………………………………...	3
Глава 1. Что такое хемилюминисценция? Где и почему происходит это явление? …………………………………………………………….	5
Глава 2. Краткий исторический очерк ………………………………...	8
Глава 3. Хемилюминисценция  в наши дни …………………………...	12
Глава 4. Экспериментальная  часть ……………………………………	14
Список использованной литературы ………………………………….	19
Приложение ……………………………………………………………..	20

 

 

Введение.

Свечение ночного моря. Голубой свет газовой горелки. Слабое белесое свечение гнилого дерева в лесу. Светящийся фосфор. Во всех этих случаях за счет энергии химической реакции возникает свечение. Это  явление называется хемилюминисценцией, т.е. химическим свечением. Мы еще с детства знакомы со светящимися в темноте палочками, которые часто продают в цирке и других местах. Но нам всегда было интересно, как и почему это происходит. Нашей целью было изучить это явление, историю его исследования, и самостоятельно на практике убедиться в его существовании. Исходя из данной цели, была составлена программа исследования:

1. Изучение литературы, посвященной истории науки и собственно химии.
2. Работа с различными источниками, в том числе с интернетом.
3. Выполнение химических опытов, сопровождающихся свечением.

Хемилюминисценцию начали исследовать раньше, чем другие разновидности  люминисценции. Но и теперь она остается одним из наименее изученных видов  люминисценции.

Не будет преувеличением сказать, что хемилюминисценция оформляется в большую область науки, находящуюся на стыке между химией, физикой и биологией. Многие подразделы хемилюминисценции развиваются очень бурно и пока трудно предположить, в каком состоянии они окажутся через несколько лет.

Но уже и сейчас ясно, что исследования люминисценции  имеют большое значение.

Во-первых, при хемилюминисценции  происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитных колебаний, т.е. в свет. Если бы коэффициент  полезного действия (КПД) такого преобразования был велик, то это имело бы и практическое значение: можно было бы создать дешевые химические источники света.

Во-вторых, при хемилюминисценции  реакция как бы сама рассказывает о себе языком света. Если овладеть этим «языком», то можно узнать много нового и важного о том, как протекает реакция, каков ее механизм. А знание последнего необходимо для эффективного и рационального проведения технологических процессов в химическом производстве.

 

Глава 1.

Что такое хемилюминисценция?

Где, как и почему происходит это явление?

Люминисценция (от лат. lumen, родительный падеж luminis — свет и -escent — суффикс, означающий слабое действие) – свечение, вызванное поглощением веществом какого-либо вида энергии.

Вещества, способные люминесцировать, называются люминофорами. Неорганические люминофоры часто называют фосфорами, а в том случае, когда они имеют кристаллическую структуру — кристаллофосфорами.

По длительности свечения различают флуоресценцию (быстро затухающую люминесценцию) и фосфоресценцию (длительную люминесценцию). Деление это условное, так как нельзя указать строго определенной временной границы.

В зависимости от вида возбуждения люминофора различают  фотолюминесценцию (возбуждение светом), катодолюминесценцию (возбуждение  ускоренным потоком электронов), электролюминесценцию (свечение под действием электрического поля), рентгенолюминесценцию (возбуждение рентгеновским излучением), радиолюминесценцию (возбуждение a- и b-частицами, протонами, осколками ядерного деления), лиолюминесценцию (возбуждение при растворении кристаллов) кандолюминесценцию (возбуждение при механических воздействиях, например, при разрушении кристаллической решетки), триболюминисценцию (возбуждение при воздействии сил трения), сонолюминисценцию (возбуждение при воздействии ультразвука), хеми- и биолюминесценцию, при которых излучение света сопровождает химическую реакцию.

В принципе хемилюминисценцию  объяснить нетрудно, исходя из закона сохранения и превращения энергии. Можно сказать, что в реакции  получаются богатые энергией продукты, которые затем отдают энергию, излучая свет, т.е. в данном случае химическая энергия превращается в энергию электромагнитного излучения.

Гораздо труднее указать как происходит это превращение: почему выделяется энергия, в какой форме она получается, что способствует и что препятствует ее переходу в форму световой энергии.

Прежде всего следует  рассмотреть, как и в какой  форме при химических реакциях выделяется энергия.

Во всех химических реакциях, как бы сложны они не были, происходит либо разрыв межатомных связей, либо их образование, либо оба эти процесса. Чтобы разорвать связь, нужно затратить энергию. Напротив, при образовании новой связи энергия выделяется.

В первый момент после  реакции энергия, выигранная в результате образования новой связи, сосредоточена на молекуле продукта. Избыток ее не исчезает бесследно. Он может усилить беспорядочное движение молекул продукта реакции и окружающих ее молекул и в конечном итоге увеличить температуру реагирующей смеси. Но этот излишек энергии может усилить внутримолекулярные движения: колебания атомов и движение электронов, с помощью которых и осуществляется связь между атомами в молекуле. В этом случае говорят, что молекула возбуждается. Движение электронов и атомов в молекуле правильное, упорядоченное. Избыток энергии внутримолекулярного движения довольно легко преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, т.е. в свет. В противоположность этому тепло, т.е. энергия беспорядочного движения, лишь с большим трудом поддается такому преобразованию: чтобы излучить свет, молекула обязательно должна сначала стать возбужденной. А ведь из беспорядочного движения очень трудно получить упорядоченное. Вот почему столь низок коэффициент полезного действия ламп накаливания, где в видимый свет переходит лишь небольшая доля (до 2-3%) тепловой энергии.

При хемилюминисценции  возбужденные молекулы образуются сразу, минуя стадию нагревания: это –  «холодный» свет.

Вот пример.

В светоносных органах светлячка  почти вся химическая энергия  сразу переходит в возбуждение, поэтому он остается холодным.

 

Глава 2.

Краткий исторический очерк.

Учение о люминисценции  сформировалось сравнительно недавно  – во второй четверти XX века. Большой вклад в развитие учения о люминисценции внесла школа академика С.И. Вавилова и школа академика А.Н. Теренина.

Существенный прогресс в изучении хемилюминисценции был достигнут  лишь в последнее время, хотя исследования этого явления и имеют многовековую историю. Причиной этого является то, что лишь буквально в последние  десятилетия были разработаны удобные и чувствительные детекторы и схемы регистрации, позволяющие быстро и точно измерять слабые световые потоки.

Хемилюминисценция в живой природе, или биолюминисценция (свечение рыб, червей, насекомых, моллюсков, грибов, гнилого дерева), не могла не привлечь внимания людей, и это нашло свое отражение в устном и письменном творчестве разных народов.

Вспомните «горящие» камни, сияние, исходящее от богов и волшебников, светящиеся цветы, пни, деревья, столь  часто встречающиеся в сказках, легендах и поверьях. Так, например, сибирская народность – селькупы верили, что под землей находятся семь пещер, в которых живут души умерших, и что пещеры освещаются не солнцем и луной, а тусклым светом гниющего дерева.

Такого рода легенды встречаются  у многих живших у морей народов, для которых было привычным явление «горящего моря», в то время как другие народы считали источником огня молнию.

Не случайно, что упоминаний о  светящихся животных нет ни в Библии, ни в Талмуде, ни в Коране – светящиеся животные любят сырость и чрезвычайно редко попадаются на Среднем Востоке, где и зародились религии христиан, евреев и мусульман.

Зато в древних книгах Индии, Китая и Японии часто можно  встретить описания светящихся червей, мух и грибов. Первое из них –  в Книге од, изданной в Китае в XV-X веках до н.э. Возможно, что древним китайцам было известно и свечение фосфора.

Упоминания о биолюминисценции встречаются у древнегреческого философа Аристотеля, а более подробные  описания – у древнеримского ученого  Плиния.

С большим интересом относились к биолюминисценции и средневековые ученые. Как это ни странно, но они преследовали сугубо практические цели – создать источники света для освещения улиц, кораблей и, особенно, пороховых погребов (взрывобезопасность!). Но они пытались научиться консервировать живые организмы, чтобы в любой момент можно было снова вызвать их свечение. Успеха эти попытки, естественно, не имели.

Довольно подробные описания светлячков, светящихся червей, рыб и т.п. оставил  доминиканский монах Альберт  Магнус (Альбрехт Больштадтский, живший в 1225-1294 гг.).

Однако следует заметить, что  в средние века в связи с  общим застоем в науке не было новых открытий и в области  изучения свечения живых организмов.

Лишь в XV и XVI веках в связи с пробуждением активности во всех областях знания и великими географическими открытиями было обнаружено много новых, до того неизвестных светящихся животных. Много раз было описано (хотя и не объяснено) свечение моря.

С большим интересом относился  к люминисценции английский философ  Фрэнсис Бэкон (1561-1626 гг.). Он неоднократно задумывался над связью тепла и огня со светом. «Мы должны понять, - писал он, - почему одни тела воспламеняются и, будучи нагреты, дают свет, а другие не дают. Железо, металл, камни, стекло, дерево, масло, сало, будучи внесены в огонь, дают пламя или же раскаляются докрасна. Однако вода и воздух, даже очень сильно нагретые, не светятся даже самым слабым светом.  …В то же время вода может светиться, например, морская вода, если ударить по ней веслом… Мы должны понять также, какое сходство имеют пламена и горючие тела со светящимися червями и мухами, с глазами некоторых существ в темноте, со свечением при раскалывании сахара».

 Конечно, сейчас на многие  из вопросов, поставленных Бэконом,  дан подробный и окончательный  ответ. В частности, стоит лишний раз напомнить, что «свечение» глаз кошек представляет собой просто направленно отраженный свет. А причиной свечения при раскалывании сахара является триболюминисценция (по-гречески «трибос» - трение). Некоторые вещества очень чувствительны к трению и начинают светиться не только при растирании, но даже при встряхивании.

Первым, кто научно подошел к  явлению хемилюминисценции, был  Роберт Бойль (1627-1691 гг.). Свои исследования Бойль начал с подробного изучения сходства и различия между свечением горящего и гниющего дерева. «Сходство… - писал Бойль, - заключается в том, что раскаленный уголь и гнилое дерево светят собственным светом; свечение обоих исчезает при отсутствии воздуха: как горящий уголь не тушится струей воздуха, так и кусок гниющего дерева. Различие в том, что свет угля будет совершенно потушен при удалении воздуха и не появляется вновь при впускании воздуха под колокол воздушного насоса, свет гнилого дерева возобновляется, хотя бы воздух был удален на несколько часов». Таким образом, Бойль впервые установил факт стимулирующего влияния кислорода на хемилюминисценцию и вплотную подошел к представлению о биохемилюминисценции как о явлении, сопровождающем процесс медленного окисления.  Бойлем подробно было обследовано и свечение фосфора. Это исследование нужно считать первой работой по собственно хемилюминисценции – до Бойля изучалось свечение только в живых организмах или в полученных из них препаратах.

В XVIII и XIX веках исследованиями хемилюминисценции в той или иной степени занимались многие ученые, в том числе Реомюр, Дэви, Пельтье, Беккерель, В.В.Петров, Дьюар, а в начале 20 века – Траутц, П.П.Шорыгин, Гарвей, Ломмель.

К 30-м годам XX века было уже известно значительное количество веществ, способных давать свечение при определенных реакциях – преимущественно реакциях окисления сильными окислителями, а также кислородом.

Вопрос о широкой распространенности хемилюминисценции неоднократно ставился на протяжении последнего столетия. Он возникал каждый раз, когда появлялись новые методики измерения света.

Отечественный ученый А.Г.Гурвич был первым, кто указал на существование  собственного свечения клеток животных и растений, названного им митогеническими  лучами. Центральное место в учении о митогенезе, развитом А.Г.Гурвичем, принадлежит идее о передаче информации между клетками с помощью слабого ультрафиолетового излучения. По мнению многих ученых, сегодня нет достаточно надежных доказательств такой возможности, хотя некоторые исследователи придерживаются другой точки зрения.