Φως και χημεία. Εισήγηση του Δημήτρη Κόρακα. Επιμορφωτική Διημερίδα "Φως... περισσότερο φως!", Πρότυπο Πειραματικό Γυμνάσιο Ζωσιμαίας Σχολής Ιωαννίνων, Φεβρουάριος 2015.

1. ‘‘ΦΩΣ ΚΑΙ ΧΗΜΕΙΑ’’
ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΚΟΡΑΚΑΣ
Δρ. Χημικός
2ο
ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΑΝΑΤΟΛΗΣ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ
«Φως… περισσότερο φως!», Επιμορφωτική Διημερίδα
Π.Π. Γ/σιο Ζωσιμαίας Σχολής Ιωαννίνων 2015

2. Χημειoφωταύγεια - Βιοφωταύγεια
Μέδουσες, παράξενα ψάρια στο βυθό των ωκεανών, πυγολαμπίδες και
φωτεινές ράβδοι.
Πώς σχετίζονται μεταξύ τους;
- Η απάντηση βρίσκεται σε κάποιες περίεργες χημικές αντιδράσεις που
παράγουν φως.

3. Χημειοφωταύγεια είναι η παραγωγή φωτός από μια
χημική αντίδραση. Δύο χημικές ουσίες (A και B) αντιδρούν
παράγοντας ένα διεγερμένο ενδιάμεσο υψηλής ενέργειας
(C*), το οποίο αποδιεγείρεται και επιστρέφει στη βασική του
κατάσταση (C), απελευθερώνοντας μέρος της ενέργειάς
του με τη μορφή φωτονίων (φως).
Ο απλούστερος τύπος αντιδράσεων για παραγωγή
χημειοφωταύγειας είναι ο εξής:
A + B → C* + D
διεγερμένο ενδιάμεσο
C* → C + φως

4. Ένα απλό παράδειγμα για να καταλάβουμε την έννοια της διέγερσης
είναι το άτομο του υδρογόνου (1Η), όπου το ηλεκτρόνιο απορροφά
ενέργεια, διεγείρεται και εν συνεχεία μεταπίπτει στην αρχική του θέση
δηλαδή στη βασική κατάσταση (στιβάδα n = 1).
Κατά τη διεργασία αυτή, παράγεται ένα φωτόνιο
(ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία)
Το μήκος κύματος εξαρτάται από το ποσό της ενέργειας. Αν το μήκος
κύματος βρίσκεται στο εύρος της ορατής ακτινοβολίας, η μετάπτωση
του ηλεκτρονίου θα γίνει αντιληπτή ως φως συγκεκριμένου χρώματος.

5. Η Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι εκπομπή στον χώρο ηλεκτρομαγνητικής
ενέργειας υπό μορφή κυμάτων που ονομάζονται ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα
ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται από επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία.
Δημιουργούνται επίσης όταν ένα ηλεκτρόνιο κάποιου ατόμου χάνει μέρος της
ενέργειάς του και μεταπίπτει σε χαμηλότερη τροχιά ή ενεργειακή στάθμη κοντά στον
πυρήνα. Το μήκος κύματος καθορίζει το χρώμα. Τα χρώματα είναι μία κωδικοποίηση
του ανθρώπινου νευρικού συστήματος για να διακρίνει τα μήκη κύματος (ή τις
συχνότητες) του φωτός που προσπίπτουν στο αισθητήριο όργανο της όρασης. Τα
μήκη κύματος του φωτός που διεγείρουν τον ανθρώπινο οφθαλμό κυμαίνονται από
περίπου 400 nm μέχρι 700 nm. Στον πίνακα φαίνεται σε γενικές γραμμές η χρωματική
κωδικοποίηση του ανθρώπινου οφθαλμού. Σε κάθε μήκος κύματος (ή συχνότητα) η
όραση του ανθρώπου αντιστοιχίζει και ένα χρώμα.

6. Λουμινόλη, μια χημική ουσία που λάμπει στο σκοτάδι
Οι αντιδράσεις χημειοφωταύγειας συνήθως δεν απελευθερώνουν
πολλή θερμότητα, γιατί η ενέργεια τους απελευθερώνεται ως φως.
Η λουμινόλη παράγει φως, όταν αντιδρά με ένα οξειδωτικό μέσο.
Ο μηχανισμός αυτής της αντίδρασης είναι ο ακόλουθος:

7. Η χημειοφωταύγεια στην εγκληματολογία
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την αντίδραση της λουμινόλης για να
ανιχνεύσουν αίμα στον τόπο του εγκλήματος, όταν αυτό έχει
καθαριστεί. Ένα μίγμα λουμινόλης σε αραιό διάλυμα υπεροξειδίου του
υδρογόνου (οξυζενέ) ψεκάζεται στην περιοχή, όπου υποθέτουν ότι
υπήρξε αίμα. Ο σίδηρος που περιέχεται στο αίμα δρα ως καταλύτης σε
αντίδραση χημειοφωταύγειας.
Επειδή ο σίδηρος δρα ως καταλύτης, απαιτούνται μόνο ιχνοποσότητες.
Επομένως μόνο μια ελάχιστη ποσότητα αίματος απαιτείται για να
δώσει θετικό αποτέλεσμα. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να ανιχνευθεί αίμα,
ακόμη και όταν δεν είναι ορατό με γυμνό μάτι.
Ένα από τα μειονεκτήματα της χρήσης της λουμινόλης είναι ότι η αντίδραση
μπορεί να καταλυθεί και από άλλες χημικές ουσίες που είναι πιθανό να
βρίσκονται στον τόπο του εγκλήματος, όπως για παράδειγμα τα λευκαντικά.

8. Ο χώρος στον τόπο του εγκλήματος όπου θα προστεθεί το μίγμα
λουμινόλης και οξυζενέ, πρέπει να είναι σκοτεινός. Αν υπήρξε αίμα, θα
παρατηρηθούν μπλε λαμπερές κηλίδες, για περίπου 30 δευτερόλεπτα. Οι
επιστήμονες μπορούν να τις καταγράψουν, χρησιμοποιώντας
φωτογραφικό φιλμ, το οποίο χρησιμοποιείται στο δικαστήριο ως τεκμήριο.

9. Η χημειοφωταύγεια στις χημικές ράβδους φωτισμού

10. Οι χημικές ράβδοι φωτισμού είναι ιδανικές για φωτισμό έκτακτης
ανάγκης και όταν ενεργοποιηθούν μπορεί να εκπέμπουν φως για 12
ώρες. Είναι υδατοστεγείς και αεροστεγείς, μη τοξικές, μη εύφλεκτες,
μπορεί να διατηρηθούν στη συσκευασία τους για πέντε χρόνια και
έχουν χαμηλό κόστος αγοράς.
Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε :
• Οδική κυκλοφορία, τροχαία ατυχήματα στην ύπαιθρο
• Επείγουσα προνοσοκομειακή φροντίδα (με διαφορετικό χρώμα για
κάθε περίπτωση π.χ. πράσινο για κατάγματα κλπ)
• Φωτισμό έκτακτης ανάγκης στο σπίτι, το αυτοκίνητο, σε σετ πρώτων
βοηθειών
• Επιβίωση, έρευνα και διάσωση
• Εργασίες σε αγωγούς και δίκτυα ύδρευσης
• Διασκέδαση, παιδικά παιχνίδια κ.ά.

11. Οι φωτεινές ράβδοι αποτελούνται από έναν πλαστικό σωλήνα που
περιέχει μίγμα οξαλικού διφαινυλεστέρα και μιας χρωστικής (που δίνει
στη ράβδο το χρώμα της). Μέσα στον πλαστικό σωλήνα υπάρχει ένας
μικρότερος γυάλινος σωλήνας που περιέχει υπεροξείδιο του
υδρογόνου (οξυζενέ). Όταν ο εξωτερικός πλαστικός σωλήνας
κάμπτεται, ο εσωτερικός γυάλινος σωλήνας σπάει, ελευθερώνοντας
υπεροξείδιο του υδρογόνου, ξεκινώντας μια χημική αντίδραση που
παράγει φως. Το χρώμα του φωτός που παράγει μια φωτεινή ράβδος
καθορίζεται από τη χρωστική, η οποία χρησιμοποιείται.

12. Όταν ο οξαλικός διφαινυλεστέρας αντιδρά με το υπεροξείδιο του
υδρογόνου (H2O2), οξειδώνεται δίνοντας φαινόλη και ένα κυκλικό
υπεροξείδιο. Το υπεροξείδιο αντιδρά με ένα μόριο χρωστικής
παράγοντας δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και κατά τη
διεργασία αυτή ένα ηλεκτρόνιο της χρωστικής μεταπίπτει σε μια
διεγερμένη κατάσταση. Όταν το διεγερμένο (υψηλής ενέργειας) μόριο
χρωστικής επιστρέφει στη βασική του κατάσταση, απελευθερώνεται ένα
φωτόνιο.

13. Οι χρωστικές που χρησιμοποιούνται στις φωτεινές ράβδους είναι
συζυγείς αρωματικές ενώσεις (αρένια). Ο βαθμός συζυγίας
αντικατοπτρίζεται στο διαφορετικό χρώμα του φωτός που εκπέμπεται,
όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταπίπτει από τη διεγερμένη στη βασική
κατάσταση.

14. Βιοφωταύγεια
Έχετε ποτέ περπατήσει κατά μήκος μιας παραλίας τη νύχτα και έχετε
δει «σπίθες» φωτός γύρω από τα πόδια σας;
Έχετε βρεθεί στην εξοχή τη νύχτα και έχετε δει πυγολαμπίδες να
φτερουγίζουν γύρω σας;
Έχετε ποτέ κωπηλατήσει με βάρκα τη νύχτα, παρατηρώντας γύρω από
τα κουπιά να λαμπυρίζει το ζωοπλαγκτόν;
Το 90% περίπου της ζωής στο βυθό των θαλασσών εμφανίζει αυτό το
εντυπωσιακό φαινόμενο. Αυτοί οι οργανισμοί έχουν αναπτύξει
μηχανισμούς για να παράγουν φως, γιατί έχει πολλές χρήσιμες
λειτουργίες.

15. Βιοφωταύγεια ή βιοφωτισμός χαρακτηρίζεται η δημιουργία φωτός σε
διάφορα μήκη κύματος που εκπέμπεται από ορισμένους οργανισμούς,
που συχνά καλείται εσφαλμένα φωσφορισμός, διότι η βιοφωταύγεια
έχει παρόμοιους μηχανισμούς με τη χημειοφωταύγεια.
Ο φωσφορισμός και ο φθορισμός ανήκουν στα Φωτοφυσικά φαινόμενα και
βασίζονται στην ίδια αρχή. Μετατρέπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην
περιοχή του υπεριώδους (μη ορατή) σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην
περιοχή του ορατού φωτός. Η διάφορα τους είναι στο χρόνο που χρειάζεται για
να εξελιχτεί το φαινόμενο. Αν ο χρόνος στον οποίο εκτελείται το φαινόμενο είναι
πολύ μικρός, δηλαδή λιγότερο από 1/100.000 του δευτερολέπτου, τότε λέμε ότι
έχουμε το φαινόμενο του φθορισμού. Αν ο χρόνος στον οποίο εκτελείται το
φαινόμενο είναι πιο μεγάλος τότε μιλάμε για φωσφορισμό.

16. Το φαινόμενο της βιοφωταύγειας παρουσιάζεται σε πολλές βιο-
ομάδες πολύ διαφορετικές μεταξύ τους όπως τα βακτήρια, οι μύκητες,
οι πυγολαμπίδες (και άλλα κολεόπτερα) καθώς και σε διάφορους
θαλάσσιους οργανισμούς. Η λάμψη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως
δόλωμα για να πιάσουν ένα θήραμα, ως καμουφλάζ ή για να
προσελκύσουν ένα πιθανό σύντροφο. Μερικά βακτήρια χρησιμοποιούν
τη βιοφωταύγεια ακόμη και για να επικοινωνήσουν.

17. Υπάρχουν είδη καλαμαριών και οστρακόδερμων που μπορούν να
απελευθερώσουν σύννεφα βιοφωταυγούς υγρού για να προκαλέσουν
σύγχυση στους θηρευτές τους, ενώ αυτά ξεφεύγουν. Πλάσματα που
ζουν στο βυθό των ωκεανών ανέπτυξαν μηχανισμούς για να παράγουν
κυρίως μπλε ή πράσινο φως, γιατί μεταδίδεται αρκετά καλά μέσα στο
θαλασσινό νερό. Αυτό συμβαίνει, επειδή το μπλε φως έχει μικρότερο
μήκος κύματος από το κόκκινο φως, που σημαίνει ότι απορροφάται
λιγότερο από τα σωματίδια μέσα στο νερό.

18. Οι αντιδράσεις βιοφωταύγειας χρησιμοποιούν ATP (τριφωσφορική
αδενοσίνη) ως πηγή ενέργειας. Η δομή των μορίων που παράγουν
φως διαφέρει από είδος σε είδος, αλλά σε όλα δίνεται το γενικό όνομα
λουσιφερίνη (ή λουκιφερίνη).
Όταν οι πυγολαμπίδες λάμπουν, η λουσιφερίνη οξειδώνεται
παράγοντας ένα διεγερμένο σύμπλοκο, το οποίο μεταπίπτει πάλι στη
βασική κατάσταση, απελευθερώνοντας ένα φωτόνιο, ακριβώς όπως η
αντίδραση χημειοφωταύγειας της λουμινόλης. Ωστόσο, οι
πυγολαμπίδες δε χρησιμοποιούν π.χ. υπεροξείδιο του υδρογόνου
(οξυζενέ) ή σιδηρικυανιούχο κάλιο για να οξειδωθεί η λουσιφερίνη.
Αντίθετα χρησιμοποιούν μοριακό οξυγόνο και ένα ένζυμο που
ονομάζεται λουσιφεράση.
Η δομή της λουσιφερίνης της πυγολαμπίδας

19. Η πρωτεΐνη aequorin ανακαλύφτηκε
για πρώτη φορά στη μέδουσα Aequorea Victoria
Υπάρχει ένας αριθμός πειραμάτων που ερευνούν την aequorin, μια
πρωτεΐνη που βρέθηκε σε συγκεκριμένο είδος μέδουσας, η οποία
παράγει μπλε φως παρουσία ασβεστίου και μπορεί επομένως να
χρησιμοποιηθεί στη μοριακή βιολογία για να προσδιορίσει τα επίπεδα
του ασβεστίου στα κύτταρα.
Οι επιστημονικές έρευνες συνεχίζονται με σκοπό να χρησιμοποιηθούν
η χημειοφωταύγεια και η βιοφωταύγεια, στην ιατρική, στην ανάπτυξη
νέων αυτοματοποιημένων αναλυτικών μεθόδων για τον προσδιορισμό
συστατικών των τροφίμων, των ρύπων σε περιβαλλοντικά δείγματα και
των ενεργών φαρμακευτικών ουσιών σε φαρμακευτικά σκευάσματα,
στη διασκέδαση, στα παιχνίδια, ακόμη και στα αυτοφωτιζόμενα
χριστουγεννιάτικα δέντρα...

20. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - ΑΝΑΦΟΡΕΣ
• 1. Shaw A (2002) Genetic chess by the light of a jellyfish. Chemistry
Review 12(1): 2-5
• 2. www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/fleming/experimental.htm
• 3. Furtado S (2009) Painting life green: GFP. Science in School 12:
19-23. www.scienceinschool.org/2009/issue12/gfp
• 4. Douglas P, Garley M (2010) Chemistry and light. Science in
School 14: 63-68. www.scienceinschool.org/2010/issue14/chemlight
• 5. Wallace-Müller K (2011) The DNA detective game. Science in
School 19: 30-35. www.scienceinschool.org/2011/issue19/detective
• 6. http://www.scienceinschool.org/2011/issue19/chemiluminescence/greek
• 7. http://excellence.minedu.gov.gr/thales/el/thalesprojects/375723