Опыт 10.#. Хемилюминесценция при окислении люминола пероксидом водорода и кислородом

 

Оборудование и реактивы: люминол (5-амино-2,3-дигидро-1,4-фталазиндион, он же гидразид oрто-аминофталоила), карбонат натрия Na₂CO₃ (б/в или кристаллогидрат), гидрокарбонат натрия NaHCO₃ карбонат аммония (NH₄)₂CO₃, пероксид водорода – 3 % (масс.) раствор, медный купорос крис., гексацианоферрат (3+) калия крист. (красная кровяная соль), перманганат калия крист., ДМСО (диметилсульфоксид), флуоресцеин, гидроперит CO(NH₂)₂×H₂O₂, плоскодонные колбы на 50 и 500 мл, два плоскодонных стакана (объем от 50 до 250 мл). Дополнительно*: спектрофотометр (СФ-56 или 2000), набор оптических кювет, пипетки мерные на 2 и 50 мл.

 

Комментарий. Хемилюминесцентными называют такие реакции, в ходе которых энергия выделяется не только в виде тепла, но и в виде светового излучения. Это излучение может соответствовать ультрафиолетовому (редко), видимому или инфракрасному спектральным диапазонам.

Хемилюминесцентные реакции являются сложными и состоят, как минимум, из двух последовательных стадий. В первой из обязательных стадий образуется промежуточное вещество (X *) в возбужденном состоянии. На второй из обязательных стадий электроны вещества X * переходят на более низкие вакантные уровни с излучением кванта света.

 

X * ® X +hn

 

Наряду с этой реакцией всегда протекает безизлучательный переход X * в невозбужденное состояние X, при котором выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла. Для большинства хемилюминесцентных реакций в виде света излучается лишь малая доля (не более нескольких процентов) от выделяющейся в ходе реакции энергии.

К хемилюминесцентным относилась и рассмотренная выше реакция получения кислорода при окислении пероксида водорода хлором, где возбужденным веществом являлся синглетный кислород. В данной работе рассматривается реакция окисления органического соединения – люминола – различными окислителями в присутствии катализаторов. (Люминол можно рассматривать как циклическое производное гидразина и о‑аминофталевой кислоты.) Окисление люминола часто сопровождается выделением света, причем характеристическая длина волны излучения зависит от природы, как растворителя, так и растворенных веществ. В водных растворах наблюдается голубовато-синяя люминесценция (l_max = 428 нм при t = 20°C, pH = 9,2), в растворах на основе диметилсульфоксида (CH₃)₂SO свет становится зеленовато-голубым (l_max = 486 нм). Длина волны излучаемого света зависит также, и от pH водных растворов, и – достаточно слабо – от температуры.

Один из способов количественного определения микроколичеств многих веществ (прежде всего, образованных d - элементами) основан на действии этих веществ как катализаторов или ингибиторов хемилюминесцентных реакций. Хемилюминесцентный метод анализа является очень чувствительным. Например, при окислении люминола перекисью водорода излучение, катализируемое ионами меди (II), начинается уже при С _Сu2+³5×10^-8 M, причем его интенсивность возрастает по мере увеличения концентрации ионов меди в растворе. Заметим, что смеси сильно разбавленных очень чистых растворов люминола и пероксида водорода без введения катализаторов не излучают свет вообще. Комплексы железа (III), например, оксигемоглобин, также катализируют хемилюминесценцию, что используется в криминалистике для обнаружения даже ничтожных количеств крови.

Механизм реакции окисления люминола в несколько упрощенном виде может быть изображен следующим образом:

Промежуточной частицей в этой реакции является двукратно заряженный возбужденный анион о‑аминофталевой кислоты, который способен переходить без изменения строения в основное состояние, испуская квант света.

 

Наблюдение хемилюминесценции в водном растворе при каталитическом окислении люминола. Для опыта будут необходимы растворы “ А ” “ Б ” и “ В ”. Приготовить раствор “ А ” последовательным добавлением к 200 мл воды 4 г Na₂CO₃ (или 1,1 г Na₂CO₃×10H₂O), 24 г NaHCO₃, 0,5 г (NH₄)₂CO₃, 0,2 г люминола. Объем полученного раствора довести до 500 мл разбавлением дистиллированной водой в мерной колбе (т.н. разбавление до метки). Для получения раствора “ Б ” 0,4 г медного купороса растворить в 500 мл воды. Раствор “ В ” приготовить, разбавляя 50 мл 3% раствора пероксида водорода до общего объема раствора 1 л.

Для проведения опыта смешать растворы “ А ” и “ Б ” в плоскодонном стакане в соотношении 1:1 по объему при постоянном перемешивании. Охладить полученный раствор и раствор “ B ” в кристаллизаторе со снегом или измельченным льдом. Создать затемнение в лаборатории. Смешать в плоскодонном стакане полученный (“ А ”+” Б ”) раствор с раствором “ В ” в равных объемных соотношениях. Наблюдать голубовато-синюю хемилюминесценцию, продолжительностью около 2 мин.

Провести аналогичный эксперимент, смешивая растворы “ A ” и “ B ” в равных объемных соотношениях и всыпая в темноте в полученную смесь кристаллический гексацианоферрат (III) калия (используется в качестве катализатора). Раствор “ Б ” в этом варианте эксперимента не использовать.

 

Изменение цвета излучения при введении флуоресцеина: “стоксова” люминесценция, стимулированная хемилюминесценцией. Получить насыщенный водный раствор гидрокарбоната натрия. Приготовить в этом насыщенном растворе также насыщенный раствор флуоресцеина. Повторить опыт с окислением люминола пероксидом водорода с использованием соли меди в качестве катализатора. Добавлять к светящемуся в темноте раствору по каплям насыщенный раствор флуоресцеина (в растворе NaHCO₃) до смены цвета излучения с голубовато-синего на интенсивно зеленый.

Замечание. Флуоресцеин

способен к фотолюминесценции, возбуждаемой синим светом (465 – 490 нм) и связанной с переходом молекулы в возбужденное состояние: F ₀ → F ₁. При обратном переходе часть энергии теряется на тепловых колебаниях F ₁ → F ₂, поэтому излучается полоса с меньшей длиной волны (т. н. стоксова люминесценция). В молекулах органических красителей, подобных флуоресцеину, происходит еще промежуточный переход F ₂ → F ₃ на более высокий уровень E ₂ < E ₃ < E ₁ (т. н. вынужденная люминесценция). Наконец, излучательному переходу F ₃ → F ₀ соответствует высвечиваемая длина волны. Для флуоресцеина — это зеленая полоса с максимумом при длине волны l_max ≈ 525 нм. Возбуждение этой полосы в данном опыте происходит под влиянием излучения при хемилюминесценции люминола. При желании может быть проведен аналогичный опыт с использованием в качестве фотолюминесцентного вещества красителя бриллиантовый зеленый (его водно-спиртовой раствор известен в быту как “зеленка” и используется в качестве наружного антисептика).

 

Исследование влияния концентрации катализатора – ионов меди (II) ‑ на интенсивность и продолжительность излучения.* Приготовить водные растворы сульфата меди следующих концентраций: №1 – 3,13×10^‑4, №2 – 6,25×10^‑4, №3 – 1,25×10^‑3, №4 – 2,50×10^‑3, №5 – 5,00×10^‑3, №6 – 1,00×10^‑2 М. Эти растворы можно получить по следующей методике.

Раствор №6: растворить 2,5 г медного купороса в воде и разбавить полученный раствор до объема 1 л. Раствор №5: при помощи бюретки забрать из полученного раствора №6 50 мл, внести в мерную колбу на 100 мл и развести дистиллированной водой до метки (100 мл). Раствор №4: при помощи бюретки взять из раствора № 5 50 мл раствора и перенести его в очередную мерную колбу на 100 мл. Снова разбавить водой до метки. Повторять этот алгоритм разбавления еще 3 раза - до получения раствора №1. Окончательно должно получиться по 50 мл растворов №№ 2 – 5 и еще большие объемы растворов №№ 1 и 6. Для проведения эксперимента потребуются также растворы “ А ” и “ В ” из предыдущей части эксперимента.

Включить спектрофотометр, прогреть его в течение получаса, настроить этот прибор на режим “Кинетика”, указав длину волны 428 нм. Закрыть плотной черной бумагой окошко, через которое подается свет от ламп в спектрофотометре (СФ-2000) или вовсе не включать лампы (СФ-56). Взять при помощи мерной пипетки 1 мл раствора “ А ” и ввести его в кювету. Промыть пипетку дистиллированной водой. Добавить к нему раствор №1, аккуратно перемешать содержимое стеклянной палочкой. Снова промыть пипетку. Добавить к полученному раствору 2 мл раствора “ B ”, быстро перемешать содержимое и поставить кювету в держатель спектрофотометра. Начать измерение, получая данные по зависимости интенсивности излучения (I) от времени (t). Повторить этот эксперимент еще 5 раз, заменяя раствор №1 растворами №№2 ‑ 6. Построить на едином графике зависимости I = f (t) для всех шести экспериментов.

 

Для какой концентрации меди интенсивность излучения в первые десятки секунд оказывается максимальной? Как долго длиться излучение?

 

По результатам экспериментов получить еще один график в координатах I _t = f (C_Cu2+). При построении такого графика выбрать величины интенсивностей света для времени t = 10 с для экспериментов с разными концентрациями ионов меди. При расчете концентраций учесть, что исследуемые на спектрофотометре растворы разбавляются (по ионам Cu²⁺) в 4 раза по сравнению с исходными медь-содержащими растворами.

 

Какую информацию дает последний график о кинетике хемилюминесцентной реакции?

 

Перевести спектрофотометр в режим “Сканирование”, установив минимальную длину волны 360 нм, максимальную – 660 нм. Режим сканирования должен обеспечивать достаточно малое время измерения – не более 30 с (для того, чтобы хемилюминесценция не успела заметно ослабеть). Получить спектр хемилюминесценции при работе раствором соли меди такой концентрации, которая дает максимальную интенсивность излучения. Определить длину волны, при которой интенсивность хемилюминесценции максимальна (l_max).

 

Люминесценция раствора люминола в диметилсульфоксиде (ДМСО). Приготовить насыщенный раствор KOH (несколько хуже – NaOH) в ДМСО. Для этого около 5 г щелочи истолочь в сухой ступке, всыпать в химический стакан, в котором находится 50 мл ДМСО и тщательно перемешать. В другой ступке измельчить в порошок 0,1 г гидроперита. (Гидроперитом называется кристаллический пероксосольват мочевины состава СО(NH₂)₂×H₂O₂.) На аналитических (цифровых) весах взять навеску люминола массой 0,33 г и растворить эту навеску в полученном ранее щелочном растворе ДМСО. Полученную массу охладить в кристаллизаторе со снегом или толченым льдом. Выключить свет и продолжать перемешивать содержимое стакана стеклянным шпателем. Наблюдать зеленовато-голубую хемилюминесценцию, которая вызвана окислением люминола кислородом воздуха. Всыпать порошок гидроперита в эту смесь. Наблюдать кратковременное увеличение интенсивности излучения за счет окисления люминола пероксидом водорода (из гидроперита).

 

Сравнение спектров хемилюминесценции люминола в водных и ДМСО растворах. * Записать спектр излучения окисляемого люминола, находящегося в щелочном растворе ДМСО (в качестве окислителя можно использовать как кислород воздуха, так и гидроперит). Для сканирования спектра использовать методику, описанную выше (см. описание для режима “сканирование”). Определить длину волны, при которой интенсивность хемилюминесценции максимальна (l_max). Сравнить результат с аналогичным измерением для водных растворов.