Химическое свечение

В начале XX века Траутц и П.П.Шорыгин опубликовали обширное исследование, в котором перечислено большое количество реакций неорганических и органических соединений, сопровождающихся хемилюминисценцией. Свечение наблюдалось адаптированным (привыкшим к темноте) глазом. Через некоторое время в практику исследований хемилюминисценции была введена фотографическая методика, однако она применялась для изучения реакций с более или менее ярким свечением.

Новые подтверждения  широкой распространенности хемилюминисценции  были получены до второй мировой войны  во Франции в работах Рене Одюбера и его сотрудников. В то время уже существовали счетчики Гейгера-Мюллера, чувствительные к весьма малым потокам ультрафиолетовой радиации. С их помощью Одюбер обнаружил исключительно слабое ультрафиолетовое излучение от многих реакций, таких, как реакция нейтрализации сильных кислот сильными щелочами, ряд окислительно-восстановительных реакций: автоокисление бисульфита, окисление органических веществ хромовой кислотой, бромом и иодом и многих других.

В 1952 году А.Стрелер создал высокочувствительный прибор для счета фотонов на основе фотоэлектронного фотоумножителя (ФЭУ), охлаждаемого жидким азотом, и применил его для изучения послесвечения зеленых листьев. В 1956 году группа итальянских авторов использовала сходную технику для изучения свечения проростков растений.

В настоящее время  созданы высокочувствительные малошумящие  хемилюминометры, позволяющие без  охлаждения регистрировать слабую хемилюминисценцию  клеток и тканей растений и животных.

 

Глава 3.

Хемилюминисценция в наши дни.

Мало сказать, что у  хемилюминисценции большое будущее. У нее уже сейчас большое настоящее.

Методом хемилюминисценции  диагностируются онкологические гнойно-деструктивные, язвенные заболевания, острый панкреатит, осуществляется прогнозирование аллергических  заболеваний, обнаруживаются свободные радикалы в биосистеме, осуществляется анализирование общего состояния имунной системы человека, определяется химический состав продуктов. Хемилюминисценция – метод исследования аэрономических процессов, НЛО.

В наши дни хемилюминисцентные продукты производятся во всевозможных цветах и формах. Мы хотели бы немного поподробней рассказать о так любимых детьми светящихся палочках.

Светящаяся палочка  – очень простая конструкция. Внутри пластиковой палочки, содержащей дополнительные химикаты, находится стеклянный пузырек с одним из химических веществ. Обычно в смесь добавлены флуоресцентные краски. Когда необходим свет – пластиковую тубу изгибают, стеклянная пробирка, находящаяся внутри, ломается, жидкости получают возможность смешиваться. Два химических компонента вступают в реакцию, высвобождая энергию, которая в свою очередь, действуя на флуоресцентную краску, превращается в свет. Обычно основные химикаты это перекись водорода, фенилоксалатный эфир и флуоресцентная краска. Перекись водорода является активатором, и находится в стеклянном пузырьке. Фенилоксалатный эфир и краска заполняют большую часть пластиковой тубы. Вот что происходит, когда они смешиваются: перекись водорода окисляет эфир, получается фенол и нестабильный эфир пероксида кислоты, который разлагается, в результате чего получается еще больше фенола и циклическая составляющая пероксида. Циклическая составляющая пероксида разлагается и формируется углекислый газ, высвобождая энергию в флуоресцентную краску. Электроны в краске переходят в возбужденное состояние и высвобождают энергию в виде света.

Скорость реакции, и, соответственно, интенсивность излучаемого света  зависят от температуры. Нагретая светящаяся палочка будет светиться ярче и потухнет быстрее. Если поместить  ее в холодильник, то потом свечение будет длиться дольше, но не так ярко, как обычно. Длительность и интенсивность свечения обратно-пропорционально зависимы: чем длительнее свечение, тем ниже его интенсивность. Например, 12-часовая 15см зеленая палочка производит приблизительно 300 Лк (средняя светимость) в то время как 5-минутная 15см Юльтра-Оранжевая палочка выделяет 2000 Люкс.

 

 

Глава 4.

Экспериментальная часть.

В этой главе мы расскажем  о самом интересном – о том, что мы сделали сами, убедившись таким образом в существовании хемилюминисценции и отсутствии того самого «волшебства» в светящихся наклейках, палочках, различных игрушках, которые мы так любили в детстве.

Мы сделали несколько  опытов, сфотографировали результаты.

Опыт 1.

В электрохимических  реакциях первичные продукты окисления и восстановления, как правило, неустойчивы и крайне реакционноспособны. Поэтому порции энергии, выделяемые при реакциях между активными продуктами электролиза, могут быть достаточны для возбуждения видимой хемилюминисценции. Действительно, слабое свечение наблюдалось при электролизе солей уксусной кислоты (ацетат натрия, ацетат свинца). Это заметно на фотографиях.

Опыт 2.

Самым простым объектом наблюдения оказалась поваренная соль. Нужно растворить ее в воде, причем соли нужно взять столько, чтобы на дне стакана оставались нерастворимые кристаллы. Полученный насыщенный раствор нужно перелить в другой стакан и по каплям, с помощью пипетки, осторожно добавлять к этому раствору концентрированную хлороводородную кислоту. Соль начнет кристаллизоваться, и при этом возникнет свечение. Чтобы заметить это, опыт надо ставить в темноте. Результаты, полученные нами при совершении этого опыта видны на фотографиях.

Опыт 3.

Слабое свечение появляется при окислении некоторых органических соединений. Вы можете наблюдать его в опыте с окислением гидрохинона. Заключительную стадию этого опыта надо проводить в темноте, чтобы свечение было лучше заметно.

Нужно растворить 1 г гидрохинона  и 5 г карбоната калия (поташа) в 40 мл аптечного формалина – водного  раствора формальдегида. Перелить реакционную смесь в большую колбу или в бутылку емкостью не менее литра. В небольшом сосуде приготовить 15 мл концентрированного раствора пероксида (перекиси) водорода. Можно воспользоваться таблетками гидроперита – соединения пероксида водорода с мочевиной, (второй компонент опыту не помешает). Поставить оба сосуда в темной комнате так, чтобы они были под рукой. Как только глаза привыкнут к темноте, добавить раствор пероксида в большой сосуд. Тотчас смесь начнет вспениваться (из-за этого и нужно взять сосуд побольше) и появится отчетливое оранжевое свечение.

К сожалению, из-за малой  чувствительности фотоаппарата, на фотографиях, которые мы сделали, этого свечения не видно.

Опыт 4.

Этот опыт оказался наиболее эффектным. Для него нужно смешать 200 г калиевой и 80 г натриевой соли и небольшими порциями добавлять к ним горячую воду. Когда все кристаллы растворяться, нужно оставить раствор для охлаждения. Помещение, в котором ставится опыт, должно быть затемнено. Первые, совсем слабые искры появились уже при 60°C. Потом их становилось все больше и больше. Когда кристаллов выпало много, мы увидели целый сноп искр, но этого пришлось ждать около часа. Приложив ухо к стенке сосуда, мы услышали нечто вроде грома.

После завершения опыта  раствор с кристаллами можно не выливать – опыт можно повторить и после того, как свечение прекратится. Нужно лишь провести стеклянной палочкой по кристаллам, или просто немного встряхнуть сосуд несколько раз – искры появятся вновь. Результаты опыта видны на фотографиях.

Опыт 5.

Для совершения этого  опыта мы воспользовались следующим  рецептом: CaCO₃ – 10 г; MgCO₃ – 0,6 г; S – 3 г; Na₂SO₄ – 0,5 г; K₂SO₄ – 0,5 г; сахар – 0,5г + Bi(NO₃)₃ – 0,5 мл 0,5-процентного раствора.

Вещества нужно поместить  в чистую фарфоровую ступку и тщательно растереть пестиком. После этого смесь надо собрать в ступке холмиком, сделать в нем углубление для приливания раствора азотнокислого висмута и размешивать смесь в течение 10 мин. Затем нужно перенести массу в тщательно вымытый и высушенный тигель с таким расчетом, чтобы наполнить его не больше, чем на ³/₄. После этого тигель надо закрыть асбестовым кружком, замазать глиной и поставить для прокаливания в тигельную печь. Прокаливание ведется в течение 45 мин. при температуре 750-800°C. После охлаждения готовый светящийся состав следует извлечь из тигля и поместить в пробирку или бюкс, закрыв их плотно пробкой крышкой.

Основное требование при совершения этого опыта –  это высокая чистота исходных веществ.

Опыт 6.

Есть вещества, которые  очень чувствительны к трению и начинают светиться в темноте не только при растирании, но даже при встряхивании. Правда, эти вещества – не из самых распространенных, однако среди веществ, испускающих свет при трении, есть и на удивление обыденные. Например, сахароза.

В большую фарфоровую ступку нужно насыпать на дно немного  рафинированного сахарного песка. Делать этот опыт следует в темном помещении. Сначала медленно, потом  постепенно убыстряя темп, нужно ратирать круговыми движениями сахарный песок  фарфоровым пестиком. Вскоре появляются голубоватые искры, которые сольются в светящееся кольцо.

Упрощенный вариант  опыта: крепко зажав в руке кусок  сахара-рафинада нужно чиркнуть им несколько раз по шероховатой  поверхности. Можно увидеть светящиеся полосы, которые гаснут, едва вспыхнув.

К сожалению, из-за низкой светочуствительности фотоаппарата, на фотографиях, сделанных нами, этих искр не видно.

 

 

Заключение.

Итак, изучив литературу по данному вопросу и сделав опыты, сопровождающиеся свечением, можно  сделать следующие выводы:

1. Исследование хемилюминисценции действительно очень важно и актуально в наши дни.
2. С развитием техники измерения очень слабых световых потоков стало ясно, что свечение при химических реакциях (хемилюминисценция) не такая уж экзотика. Слабое свечение сопровождает по существу все химические реакции.
3. Хемилюминисценция широко используется в наши дни как один из методов диагностирования различных заболеваний, исследования многих процессов, проходящих в живых организмах и не только и др.
4. Исследование хемилюминисценции за последние годы сместилось из области чистой биологии в область медицины.
5. Хемилюминисценция – довольно сложный процесс. И порой незаметный для невооруженного человеческого глаза. И именно поэтому хемилюминисценция, хотя ее и начали изучать очень давно, и сейчас таит в себе много загадок, которые еще предстоит разгадать.
6. 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.
7. 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.
8. Изучение этого уникального явления продолжается.

В дальнейшем хотелось бы продолжить исследование химического свечения и самостоятельно изготовить люминофоры.

 

Список использованной литературы.

 

1. Р.Ф.Васильев Химическое свечение – Москва: Знание, 1967. – 48 с.
2. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Химия – М.: АСТ, 1995. – 448 с.
3. Ольгин О. Опыты без взрывов. Изд.4-е – М.: Химия, 1995. – 176 с.: ил.
4. В.Ф.Егоркин, Д.М. Кирюшкин, В.С. Полосин Внеклассные практические занятия по химии – Москва: УЧПЕДГИЗ, 1956. – 264 с.
5. Что мы знаем о химии? Вопросы и ответы: Справочное пособие / Ю.Н.Кукушкин, В.Ф.Буданова, Р.А. Власова и др.: Под ред. Ю.Н. Кукушкина. – М.: Высшая школа, 1993. – 303 с.
6. Советский энциклопедический словарь. 2-е изд. – М.: Советская энциклопедия, 1983. – 1600 с.
7. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2007 – Электронное энциклопедическое издание. (http://www.KM.ru)
8. http://chemister.pp.ru – Хемилюминисценция. Что это?
9. http://contex.hut.ru - Опыты с хемилюминисценцией.
10. http://mma.ru - Хемилюминисценция и перспективы ее применения в медицине.
11. http://www.glougroup.com.ua - Светящиеся палочки и аксессуары.
12. Соросовский образовательный журнал. №6(43) 1999. Владимиров Ю.А. – Свечение, сопровождающее химические реакции. с.25-32