Chemolumineszenz das chemische Licht · von Wittenberg und Johann Daniel Kraft aus Dresden, die...

1

Eine Jahresarbeit von Michelle Heerich

Freiherr – vom – Stein Schule, Hessisch Lichtenau

Fach: Chemie

Fachlehrer: Herr Meyfarth

Rommerode, den 23.04.2014

CChheemmoolluummiinneesszzeennzz ––

ddaass cchheemmiisscchhee LLiicchhtt

2

Chemolumineszenz – das chemische Licht 2014

Gliederung

1. Vorwort….......................................................................................Seite 3

2. Entdeckung …............................................................................... Seite 4

3. Was ist das?

3.1 Erklärung des Grundphänomens............................................................Seite 5

4. Chemolumineszenz – Reaktionen

4.1 Oxidation von Luminol ….....................................................................Seite 7

4.1.1 Reaktionsmechanismus von Luminol …............................................Seite 10

4.2 Peroxyoxalat – Chemolumineszenz …..................................................Seite 12

4.2.1 Reaktionsmechanismus von Peroxyoxalat …................................... .Seite 13

5. Anwendung

5.1 Luminol …............................................................................................Seite 14

5.2 Peroxyoxalat ….....................................................................................Seite 15

5.2.1 Knicklichter/ Leuchtstäbe …..............................................................Seite 15

5.3 Biochemie und Medizin …....................................................................Seite 16

6. Fachwortverzeichnis …...................................................................Seite 19

7. Nachwort …....................................................................................Seite 20

8. Quellenangaben

8.1 Literaturverzeichnis …...........................................................................Seite 21

8.2 Internetquellen …...................................................................................Seite 22

8.3 Abbildungsverzeichnis ….......................................................................Seite 22

Bemerkung: Begriffe, die in diesem Farbton markiert worden sind werden im

Fachwortverzeichnis erklärt.

3


1. Vorwort

Für die meisten Menschen scheint die Chemolumineszenz etwas befremdlich und ungewohnt

zu klingen, dennoch denke ich, dass viele von ihnen ihre unbewussten Erfahrungen damit

gesammelt haben, da die Chemolumineszenz in alltäglichen Gegenständen vorhanden sein

kann, wie zum Beispiel in Knicklichtern oder anderen derartigen Dekoartikeln, die auch oft

auf Veranstaltungen, wie Konzerten genutzt werden. Unter der Chemolumineszenz versteht

man nämlich das chemische Leuchten. Zudem fasziniert Licht den Menschen seit Anbeginn,

weswegen es um so spannender ist Licht auch auf eine chemische Art und Weise herstellen zu

können.

Ich entschied mich für die anstehende Jahresarbeit als meine Erstwahl für das Fach Chemie,

welche ich erhalten habe. In Folge dessen musste ich mich nun für ein Thema entscheiden,

welches für mich und meinen Lehrer vereinbar war. Des Weiteren sollte es eine Thematik

sein, die für den Menschen alltäglich erfahrbar ist und wobei dessen Neugier geweckt wird

tiefgründigere Informationen erhalten zu wollen. Nach langen Überlegungen und mit Hilfe

einer Freundin bin ich durch Zufall auf das Thema der Chemolumineszenz gekommen, da wir

auf Knicklichter gestoßen sind und sich nach ein paar Recherchen ergeben hat, dass die

Chemolumineszenz für das Geschehen bzw. den Vorgang der Lichtemission in den

Knicklichtern verantwortlich ist, weswegen meine Wahl für das Thema meiner Jahresarbeit

auf die Chemolumineszenz fiel, zumal es mich interessierte welche Systematik maßgeblich

dafür ist.

In meiner Jahresarbeit möchte ich deswegen ermitteln, welches Phänomen und welche

Reaktionsmechanismen sich hinter der Chemolumineszenz verbergen und in welchen

Anwendungsbereichen die Chemolumineszenz angewendet wird. Des Weiteren möchte ich

mehr über den historischen Kontext erfahren und hoffe die eben erwähnten Punkte gut und

verständlich in meiner Jahresarbeit darstellen zu können, damit im Anschluss jeder Leser

dieser Jahresarbeit weiß, was unter einer Chemolumineszenz zu verstehen ist.

4


2. Die Entdeckung

Die Chemolumineszenz wurde erstmals durch Zufall von dem Arzt und Alchemisten

Heinrich Hennig Brand (geboren ca.1630) im Jahr 1669 entdeckt.1 Auf der Suche nach

dem „Stein der Weisen“ - darunter versteht man eine Substanz, die unedle Metalle in

Gold oder Silber verwandeln könne2 - hat Brand Phosphor, das erste Element in der

Chemiegeschichte entdeckt. Für die Entstehung des Phosphors sammelte er Urin,

welches er verdunsten ließ, sodass ein Rückstand zurück blieb, der von Brand erhitzt

wurde. Zudem hat er ihn gären lassen bis der Rückstand eine schwarze Farbe annahm.3

Des Weiteren gab er Sand hinzu und erhitzte die entstandene Substanz im Kolben,

wobei sich im ersten Moment nur Rauch entwickelte.4 Nach einer kurzen Wartezeit

begann die Substanz zu leuchten. Brand war fasziniert von dem kalten Licht und nannte

es Phosphorus (griech. Lichtbringer).5 1675 berichtete er seinen Freunden von seiner

Entdeckung, wodurch es sich zu einem Stadtgespräch entwickelte. Zudem sprach sich

Brand selbst den Doktortitel zu.6

Für den Phosphor gab es einige Interessenten, wie die Alchemisten Johannes Kunckel

von Wittenberg und Johann Daniel Kraft aus Dresden, die Brands Geheimnis der

Herstellung des Phosphors herausfinden wollten, was nicht jeden von ihnen gelang.7

Außerdem bekam Brand durch seine Entdeckung einen Job, wobei er für den

Arbeitgeber, in diesem Fall Johann Friedrich von Sachsen, Phosphor produzierte, wobei

es zu Komplikationen kam, da Brand sowie seine Kinder erkrankt seien und er somit

nicht in der Lage war seinen Beruf auszuüben, weswegen er zwischen Hannover

(seinem Arbeitsort) und Hamburg (seiner Heimat) hin und her pendeln musste.8 Brand

verstarb letztendlich 1692. Seine Methode Phosphor herzustellen wurde erst 1732,

durch eine Chemieakademie in Paris, welche das Herstellungsgeheimnis von einer

1 http://lexikon.freenet.de/Hennig_Brand, 1.02.2014 2 http://de.wiktionary.org/wiki/Stein_der_Weisen, 1.02.2014 3

http://www.schulmediathek.tv/SID=side7e8420fc4f04b61d9470fd6892e9/Chemie/Allgemeine+Chemie/Elemente+und+Atome/Alchemie+und+die+Entdeckung+der+Elemente/, 1.02.2014

4 http://www.schulmediathek.tv/SID=side7e8420fc4f04b61d9470fd6892e9/Chemie/Allgemeine+Chemie/Elemente+und+Atome/Alchemie+und+die+Entdeckung+der+Elemente/, 1.02.2014

5 http://lexikon.freenet.de/Hennig_Brand, 1.02.2014 6 http://lexikon.freenet.de/Hennig_Brand, 1.02.2014 7 http://lexikon.freenet.de/Hennig_Brand, 1.02.2014 8 http://lexikon.freenet.de/Hennig_Brand, 1.02.2014

5

unbekannten Person erlangte, allseits bekannt.9 Des Weiteren prägte Eilhard


Wiedemann 1888 den Begriff der Chemolumineszenz.10

3. Was ist das?

3.1 Erklärung des Grundphänomens

Nun stellt sich die Frage, was sich hinter dieser Faszination verbirgt und welche

Voraussetzungen notwendig sind, weswegen ich genauer auf das Grundphänomen

eingehen werde.

Unter einer Chemolumineszenz versteht man eine chemische Reaktion, die mit einer

Lichtemission verbunden ist. Atome oder Moleküle emittieren während einer von außen

verursachten Reaktion elektromagnetische Strahlung, die im UV-, im IR- oder im

sichtbaren Spektralbereich liegt.11

Abbildung 1: Lichtspektrum12

Dabei befinden sich die Atome oder Moleküle in einem elektronisch angeregten

Zustand (siehe Abbildung 2). Durch diesen energiereichen Übergangszustand wird eine

Umwandlung von chemischer Energie in elektromagnetische Energie hervorgerufen.13

Das führt zu einem Elektronenübergang vom elektronisch angeregten Zustand in den

9 http://www.chemicool.com/elements/phosphorus.html, 1.02.2014 10 http://de.wikipedia.org/wiki/Chemolumineszenz, 1.02.2014 11 Albrecht, Brandl, Zimmermann, Chemilumineszenz, Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer

Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.2 12 Abbildung 1: http://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Fotosynthese_neu/dateien/licht/licht.html,

1.02.2014 13 Albrecht, Brandl, Zimmermann, Chemilumineszenz, Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer

Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.4

6

Grundzustand, einen energetisch tieferliegenden Zustand.14


Dadurch wird Energie in Form von „kalten“ Licht freigesetzt, da die

Reaktionstemperatur bei einer Chemolumineszenz – Reaktion deutlich unterhalb des

thermischen Leuchtens liegt.15

Abbildung 2: Elektronenübergang bis zur Ents tehung des Lichts16

Als Ausgangsstoffe für eine Chemolumineszenz – Reaktion dienen Luminophore,

chemische Verbindungen, die während einer Oxidation in einen angeregten Zustand

gelangen und anschließend Strahlung im sichtbaren Spektralbereich emittieren.17 Erst

wenn die Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichts liegt (siehe Abbildung 1), wird

der Elektronenübergang als Licht in einer bestimmten Farbe wahrgenommen.18 Unter

einer Wellenlänge versteht man den kleinsten Abstand zwischen zwei

Schwingungszügen innerhalb einer periodischen Wellenbewegung.19 Wellenlängen, die

zwischen 380nm bis 750nm liegen, lösen einen organischen Reiz auf Farbrezeptoren der

Netzhaut aus (siehe Abbildung 3).20

14 Albrecht, Brandl, Zimmermann, Chemilumineszenz, Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer

Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.4 15 Albrecht, Brandl, Zimmermann, Chemilumineszenz, Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer

Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.2-3 16 Abbildung 2: http://www.scienceinschool.org/print/2395, 1.02.2014 17 http://de.wikipedia.org/wiki/Luminophor, 1.02.2014 18 http://www.scienceinschool.org/print/2395, 1.02.2014 19 http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Wellenlaenge-wavelength.html, 14.04.2014 20 https://www.che miezauber.de/inhalt/q2/farbmittel-und-text ilien/licht-und-farbigkeit/theorie-der-farbigkeit/407-

wellenlaenge-frequenz-farbe.html, 14.04.2014

7


Violettes Licht ist beispielsweise kurzwellig und deswegen sehr energiereich, während

rotes Licht langwellig und aus diesem Grund energiearm ist.21 Jede Wellenlänge

entspricht also einer bestimmten Farbe. Die allgemeine Reaktionsgleichung einer

Chemolumineszenz - Reaktion lautet:

Edukt + Sauerstoff → Peroxid; Peroxid → Produkte*

Produkte* → Produkte und Licht22

Bemerkung: Der Stern * steht für eine Lichtemission, wobei ein Elektron von dem

angeregten Zustand in den Grundzustand zurückfällt.

4. Chemolumineszenz – Reaktionen

4.1 Oxidation von Luminol

Mit Hilfe eines praktischen Versuchs, den ich zum Teil nach dem unten aufgeführten

Versuchsprotokoll selbst durchgeführt habe (nur die blaue Chemolumineszenz -

Reaktion), soll die Chemolumineszenz verdeutlicht bzw. näher gebracht werden, um so

den Reaktionsmechanismus besser nachvollziehen zu können.

Versuchsprotokoll:

Geräte/ Chemikalien: Erlenmeyerkolben, Magnetrührer, Spatel, Messzylinder

Fluorescein, Luminol, Rhodamin B, Kaliumhexacyanoferrat (III)

Natronlauge, Natriumcarbonat, Wasserstoffperoxid (30%ig),

destilliertes Wasser

Durchführung: Blaues Licht: 5ml Natronlauge und eine Spatelspitze Luminol werden

21 https://www.che miezauber.de/inhalt/q2/farbmittel-und-text ilien/licht-und-farbigkeit/theorie-der-farbigkeit/407-

wellenlaenge-frequenz-farbe.html, 14.04.2014 22 Miriam M. Ziegler, Thomas O.Baldwin, Methods in Enzymology, Volume 305, Bioluminescence and Chemiluminescence,

Part C, Academic Press, 2000, S.4

Abbildung 3: Farbwahrneh mung

8

in einen Erlenmeyerkolben hinzugegeben. Dieser wird im Anschluss mit 500ml

destilliertem Wasser aufgefüllt. Dieses Gemisch stellt die erste Lösung dar. In einem

zweiten Erlenmeyerkolben werden 0,5g Kaliumhexacyanoferrat (III) in 400ml

destilliertem Wasser gelöst. Man fügt 10ml Wasserstoffperoxidlösung hinzu. Als Letztes

werden die beiden Lösungen in einem abgedunkelten Raum zusammen gegeben.

Grün/ Gelbes Licht: In einem Erlenmeyerkolben werden 8g Natriumcarbonat in


destilliertem Wasser vermengt. Man gibt anschließend eine Spatelspitze Fluorescein und

0,2g Luminol hinzu. Mit einem Magnetrührer wird die Lösung gut durchgemischt, um

sie im jetzigen Schritt in einem abgedunkelten Raum mit 30ml

Wasserstoffperoxidlösung vermengen zu können. Durch eine Spatelspitze Hämin lässt

sich der Effekt verstärken.

Rotes Licht: Man löst in einem Erlenmeyerkolben 8g Natriumcarbonat in destilliertem

Wasser auf und fügt eine Spatelspitze Rhodamin B und 0,2g Luminol hinzu. Diese

Lösung wird mit einem Magnetrührer durchgemischt. Danach vermengt man diese

Lösung in einem abgedunkelten Raum mit 30ml Wasserstoffperoxidlösung, wobei sich

dieser Effekt wieder mit einer Spatelspitze Hämin verstärken lässt.

Auswertung: Bei allen drei Lösungen ist eine Lichtemission wahrzunehmen. Dabei

nimmt das Licht immer die Farbe des hinzugegebenen Farbstoffs an.

Abbildung 4: Fluorescein → Grün/ Gelbes Licht23 Abbildung 5: Rhodamin B → Rotes Licht 24

23 Abbildung 4:http://t2.ftcdn.net/jpg/00/37/09/77/ 400_F_37097787_Q By2whaV3jarF1VqeJ5n7pHoHdNipi16.jpg,

23.03.2014 24 Abbildung 5:http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/bilderN/dracula.jpg, 23.03.2014

9

Abbildung 6: Ohne Farbstoff bzw. „nur“

Luminol → Blaues Licht 25


Das Luminol wird durch die hinzugegebene Wasserstoffperoxidlösung oxidiert. Dabei

gelangt es in einen elektronisch angeregten Zustand, den es durch Abgabe von Energie

in den stabileren Grundzustand verlässt. Dies geschieht allerdings nicht durch

Wärmeabgabe, sondern in Form von Lichtenergie (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7: Energiediagramm mit Legende26

Abbildung 8: Reaktionsgleichung für die blaue Chemolumineszenz27

25 Abbildung 6:fotografiert von Sara Marques 26 Abbildung 7: http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/chemolumineszenz/chemolumineszenz.htm#was ist

chemolumineszenz, 12.04.2014

10

Luminol + Wasserstoffperoxidlösung + Natronlauge → 3 – Aminophthalat + Wasser + Stickstoff

Durch Hämin und Kaliumhexacyanoferrat (III) wurde das Emittieren des Lichts

verstärkt, da sie als Katalysatoren für die Chemolumineszenz dienen und somit die

Reaktionen beschleunigen.

Quelle: http://www.chempage.de/versuche/OC/OC%20001/OC%20001.htm


4.1.1 Reaktionsmechanismus

Durch die Hydroxidionen, die aus der hinzugefügten Natronlauge stammen, werden die

Protonen der NH – Gruppe des Luminols abgespalten28 (siehe Abbildung 9).

Abbildung 9: Deprotonierung der NH - Gruppen29

Eine Redoxreaktion im nun folgenden Schritt führt dazu, dass die negativ geladenen

Stickstoffatome oxidiert werden, wobei sich durch die zwei ungepaarten Elektronen der

oxidierten Stickstoffatome eine Doppelbindung ausbildet, während das

Wasserstoffperoxid – Molekül zu zwei Hydroxidionen reduziert wird, weswegen es als

Oxidationsmittel dient.30 Zudem ist hierbei eine mesomere Grenzstruktur möglich. Ein

weiteres H2O2 – Molekül, genauer gesagt die Sauerstoffteilchen des

Wasserstoffperoxids, greifen das polarisierte Carbonylkohlenstoffatom nucleophil an,

wobei die abgespaltenen Protonen des Wasserstoffperoxid – Moleküls mit den

27 Abbildung 8: http://www.chempage.de/versuche/OC/OC%20001/OC%20001.htm, 26.03.2014

28 http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014 29 Abbildung 9:http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014

30 http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014

11

Hydroxidionen der Natronlauge zu Wasser reagieren31 (siehe Abbildung 10).

Abbildung 10: Mesomere Grenzstruktur, sowie der nucleophile Angriff des Wasserstoffperoxids32


Angesichts der Abspaltung der Stickstoffatome bildet sich ein instabiler Ringschluss

zwischen dem einstigen Carbonylkohlenstoffatom und dem dazugekommenen O2--

Anion.33 In diesem Schritt wird das Kaliumhexacyanoferrat relevant, da die darin

enthaltenen Fe3+ - Ionen die Reaktion katalysieren, wodurch der Mensch in der Lage ist

die Reaktion mit dem bloßen Auge zu sehen, was ohne den Katalysator nicht möglich

wäre34 (siehe Abbildung 11).

Abbildung 11: Ents tehung des instabilen Ringschlusses, sowie die Katalyse35

Dennoch ist dieser Reaktionsmechanismus nicht vollständig geklärt, weswegen

divergente Quellen in diesem Teil eine Entstehung eines anderen Peroxids vermuten,

was allerdings mit dem nachfolgenden Schritt, nach der Abspaltung der Stickstoffatome

gleichbedeutend wäre36 (siehe Abbildung 12).

31 http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014 32 Abbildung 10: http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014 33 http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung , 23.03.2014 34 http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014 35 Abbildung 11: http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014 36 http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014

12

Abbildung 12: Abspaltung der Stickstoffatome37


Im nun folgenden vorletzten Schritt reagiert das instabile Molekül zu einem 3 –

Aminophthalat – Dianion, welches sich in einem energetisch angeregten Zustand

befindet38 (siehe Abbildung 13).

Abbildung 13: Entstehung des 3 – Aminophthalat – Dianion39

Das angeregte Molekül fällt unter Abgabe von Licht in seinen Grundzustand zurück40,

was einer komplexeren Erklärung hinsichtlich der Sauerstofforbitale, sowie die an ihnen

gebundenen Kohlenstoffatome und dessen Orbitale bedarf, weswegen ich auf diese

Erklärung, aufgrund ihres Umfangs und ihrer Komplexität, nicht mehr weiter eingehen

werde (siehe Abbildung 14).

37 Abbildung 12: http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014 38 http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014

39 Abbildung 13:http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung,

23.03.2014

40 http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung, 23.03.2014

13

Abbildung 14: Das 3 – Aminophthalat – Dianion fällt in seinen Grundzustand zurück41

4.2 Peroxyoxalat – Chemolumineszenz

Anhand eines weiteren Beispiels, der Peroxyoxalat – Chemolumineszenz, wird die

Reaktion mit einem Farbstoff deutlich.


4.2.1 Reaktionsmechanismus von Peroxyoxalat

Abbildung 15: Reakt ionsmechanismus – Peroxyoxalat42

Im ersten Schritt erfolgt eine Perhydrolyse, wobei die aromatischen Reste des Bis-(2,4-

dinitrophenyl)-oxalat43 (DNPO) (siehe Abbildung 15) durch das hinzugefügte

41 Abbildung 14: http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-luminol.html#Erklärung , 23.03.2014 42 Abbildung 15:http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/peroxyoxalat.htm, 15.03.2014 43 http://kaltes-licht.fsla.at/experimente/frame_rechts_expo_chemo_oxal.htm, 14.04.2014

14

Wasserstoffperoxid substituiert werden44. Dadurch entsteht das 1,2 – Dioxetan – dion

(siehe Abbildung 15), welches ein energiereiches Vierringsystem verkörpert und zum

einen zu den Dioxetanen (siehe Abbildung 16) und zum anderen zu den Peroxiden

(siehe Abbildung 17) gezählt werden kann45.

Abbildung 16: Dioxetan 46 Abbildung 17: Peroxid 47


Im jetzigen Schritt kann das 1,2 – Dioxetan - dion auf zwei verschiedene Weisen

reagieren. Entweder entsteht Kohlendioxid, dessen Häufigkeit 70% beträgt, oder ein

instabiles Oxalsäureperoxyanhydrid (siehe Abbildung 18) entsteht, wobei die Häufigkeit

„nur“ 30% beträgt48.

Dennoch besteht hierin keine entscheidende Relevanz für den weiteren

Reaktionsverlauf, da das Oxalsäureperoxyanhydrid in einem nächsten Schritt zu einem

angeregten Kohlenstoffdioxid reagiert, das vorher aus einer Reaktion von Sauerstoff

und Kohlenmonoxid entstanden ist49. Das angeregte Kohlenstoffdioxid gibt seine

Energie an den zugesetzten Farbstoff ab, der dadurch in einen angeregten Zustand gerät

44 http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/peroxyoxalat.htm, 2.02.2014

45 http://de.wikipedia.org/wiki/1,2-Dioxetandion, 14.04.2014 46 Abbildung 16: http://de.academic.ru/pictures/dewiki/49/1,2-dioxetane.png, 15.04.2014 47 Abbildung 17: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Peroxide_group_v.2.png, 15.04.2014 48 http://kaltes-licht.fsla.at/chemolumineszenz/frame_rechts_chemo_peroxy.htm, 2.02.2014

49 http://kaltes-licht.fsla.at/chemolumineszenz/frame_rechts_chemo_peroxy.htm, 2.02.2014

Abbildung 18: Oxalsäureperoxyanhydrid

15

und die an ihn übertragene Energie in Form von Licht in der jeweiligen Farbe

abgibt50.Wichtig ist hierbei, dass ein geeigneter Farbstoff verwendet wird, der sich

nicht mit dem Wasserstoffperoxid zersetzt51.

5. Anwendung

5.1 Luminol

Die Chemolumineszenz – Reaktion mit Luminol findet in vielen Gebieten Anwendung.

Vor allem in der Forensik und zu analytischen Zwecken in der Biochemie und Medizin.

Blut enthält Hämoglobin (siehe Abbildung 19), welches als Katalysator für eine

Chemolumineszenz – Reaktion dient, wodurch Blutspuren in der Kriminalistik leicht

nachgewiesen werden können, da in Hämoglobin Eisen – III – Komplexe vorliegen.52

Dabei dient das Luminol – Molekül als Sensibilisator und befähigt somit die Reaktion

und die daraus resultierende Lichtemission.


Abbildung 19: Hämoglobin 53

Zudem findet das Luminol auch in der Biochemie bezüglich der Immunassaystechnik

Anwendung, um zu einem Antikörper das passende Antigen zu finden54 (siehe Kapitel

5.3).

5.2 Peroxyoxalat

Peroxyoxalat – Systeme werden als Notlichtquellen, sowie als Beleuchtung beim

Camping verwendet.55 Auch für nächtlich Angelpartien oder als Dekoartikel findet das

50 http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/peroxyoxalat.htm, 2.02.2014 51 http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/peroxyoxalat.htm, 2.02.2014 52 Schrader, Rademacher, Kurzes Lehrbuch der organischen Chemie, 3.Auflage, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, 2009 53 Abbildung 19:http://www.scienceinschool.org/2011/issue19/chemiluminescence/german,, 4.02.2014 54 http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/Luminol.htm, 16.02.2014 55 Albrecht, Brandl, Zimmermann, Chemilumineszenz, Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer

Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.19 - 20

16

Peroxyoxalat – System Verwendung.56 Mit dem Peroxyoxalat – System kann darüber

hinaus zugleich ein Screening – Test zur Porphyriendiagnostik57, welcher von Brandl

und Albrecht entwickelt worden ist, durchgeführt werden (siehe Kapitel 5.3).

5.2.1 Knicklichter/ Leuchtstäbe

Knicklichter bzw. Leuchtstäbe sind beliebte Dekoartikel, die man käuflich erwerben

kann. Sie werden in Unterhaltungsshows, auf Festivals oder auf Partys benutzt. Doch

wie ist so ein Knicklicht bzw. Leuchtstab eigentlich aufgebaut? Das „Rohr“ bzw. der

Stab besteht hauptsächlich aus Polyethylen.58 Innerhalb des Stabs befindet sich

zusätzlich eine „Ampulle“59, die mit Wasserstoffperoxid gefüllt ist. Außerhalb dieser

Ampulle, also in dem Zwischenraum, befinden sich die anderen Chemikalien, wie das

benötigte Oxalsäureester, der Katalysator und der zugesetzte Farbstoff. Verbiegt man

nun den Leuchtstab, zerbricht die Ampulle und die 2 verschiedenen Flüssigkeiten


werden vermengt, sodass ein Licht emittiert wird.60 Zudem kann der Leuchtstab auf

dem Wasser schwimmen und ist in der Lage auch unter Wasser zu leuchten, weswegen

das Anwendungsgebiet hierfür vielfältig ist.61


Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.19 - 20 57 Albrecht, Brandl, Zimmermann, Chemilumineszenz, Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer

Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.20 58 Hermann Raaf, Chemie des Alltags A-Z, Ein Lexikon der praktischen Chemie, Verlag Herder, Freiburg, Basel, Wien,

S.242 59 Hermann Raaf, Chemie des Alltags A-Z, Ein Lexikon der praktischen Chemie, Verlag Herder, Freiburg, Basel, Wien,



S.242

17

Abbildung 20: Aufbau eines Leuchts tabs62

5.3 Biochemie und Medizin

Sowohl Luminol, als auch Peroxyoxalat finden Gebrauch in der Biochemie und

Medizin und können zu vielen analytischen Zwecken dienen. So wird beispielsweise

das Peroxyoxalat – System für Screening – Tests zur Porphyriendiagnostik verwendet.

Unter Porphyrien versteht man eine Gruppe von Stoffwechselkrankheiten mit

genetischen oder toxischen Störungen der Porphyrin- bzw. Hämbiosynthese.63 Dabei

bestehen zum Teil Defekte der Enzyme, die für die Biosynthese zuständig sind.64


Es kommt zu einer Anreicherung von Porphyrinen, wodurch es zu Anämien und

Hautkrankheiten kommen kann.65 Hierbei ist es für den Patienten wichtig, dass Uro-,

Kopro- und Protoporphyrin im Urin oder in den Faeces nachgewiesen wird, damit

62 Abbildung 11:http://daten.didaktikchemie.uni-

bayreuth.de/umat/chemolumineszenz/chemolumineszenz.htm#chemolumineszenz und tumortherapie, 16.02.2014 63 Albrecht, Brandl, Zimmermann, Chemilumineszenz, Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer

Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.20 64 Albrecht, Brandl, Zimmermann, Chemilumineszenz, Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer


Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.19 - 20

1. Kunststoffhülle

2. Glasröhrchen mit Wasserstoffperoxid

3. Zwischenraum mit Chemikalien

(Farbstoff, Oxalsäureester, Katalysator)

4. Leuchtstab wird geknickt

5. Leuchtstab beginnt zu Leuchten

18

frühzeitig therapeutische Maßnahmen eingeleitet werden können.66 Durch den

Porphyrinsensibilisierten Peroxyoxalat – Chemolumineszenz – Test lassen sich

Porphyrine ab einer Gesamtkonzentration von 250µg/l Harn erfassen.67 Außerdem kann

Triamteren mit Hilfe des Peroxyoxalat – Systems nachgewiesen werden, das als

Diuretikum in Verbindung mit anderen Wirkstoffen in blutdrucksenkenden

Medikamenten verwendet wird.68

Abbildung 21: Triamte ren69


In der Immunassaytechnik wird Luminol zum Nachweis von Enzymen, wie

beispielsweise Meerrettichperoxidase (HRP) genutzt, welches einen Antikörper

markieren soll, damit das zugehörige Antigen des Antikörpers gefunden werden kann.70

Durch die Zugabe von Wasserstoffperoxid und Luminol entsteht eine




Berücksichtigung von Biochemie und Medizin, Hüthig Verlag Heidelberg, 1996, S.19 - 20 69 Abbildung 21: http://www.pharmawiki.ch/wiki/media/Triamteren_1.png, 16.04.2014 70 http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/Luminol.htm, 16.02.2014

19

Chemolumineszenz71, wodurch durch die Lichtausstrahlung das Antigen

wahrgenommen werden kann.

Abbildung 22: Immunassaytechnik mit HRP


6. Fachwortverzeichnis

Quelle: http://www.wissen-

digital.de/index.php?title=Spezial%3ASuche&profile=default&search=an%C3%A4mie&fulltex

t=Search 71 http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/Luminol.htm, 16.02.2014

20

Begriff / Zeichen Definition

Alchemist Gehören der Alchemie an und hatten

das Ziel aus unedlen Stoffen Gold

herzustellen

emittieren ausstrahlen

Luminophore Chemische Verbindung wie Luminol,

die nach einer Oxidation zu einem

angeregten Produkt reagiert und Licht

emittiert

Oxidationsmittel Stoff, welcher als Elektronenakzeptator

dient

divergent Unterschiedlich

Oxalsäure Dicarbonsäure

Derivat Abgeleiteter Stoff, deren Grundstruktur

noch der des Ausgangsstoffs gleicht

Ester Entstehen bei der Reaktion von

Alkoholen mit Säuren

Forensik Kriminalistik

Sensibilisator Ein Stoff, der einen anderen Stoff zu

einer Reaktion befähigt, die ohne ihn

nicht stattgefunden hätte

Polyethylen Kunststoff aus polymerisiertem Ethen

Biosynthese Aufbau biochemischer, organischer

Verbindungen wie Proteine usw.

Anämien Blutarmut

Triamteren Organisch – chemische Substanz mit

mehreren Ringen aus Stickstoff und

Kohlenstoff

Diuretikum Harntreibende Arznei

21


7. Nachwort

Die Jahresarbeit bereitete mir am Anfang meiner Recherchen und Arbeit einige

Schwierigkeiten, da es für mich nicht immer einfach war mich auf die grundlegenden und

wesentlichen Informationen zu beschränken, um mich an die vorgegebenen Beschränkungen,

wie die angegebenen Seitenanzahlen zu halten. Zudem stellte es sich für mich als diffizil dar,

die richtigen und passenden Formulierungen zu finden, damit die Thematik der

Chemolumineszenz für jeden verständlich und nachvollziehbar ist. Dennoch denke ich, dass

mir die Formulierungen nun gut gelungen sind und jedem Leser dieser Jahresarbeit bewusst

werden kann, was unter einer Chemolumineszenz zu verstehen ist.

Die Chemolumineszenz findet in vielen Bereichen Anwendung. Nicht nur in der Chemie,

sondern auch in der Biologie, Medizin, sowie in der Forensik und natürlich auch in

alltäglichen Bereichen. Daraus lässt sich schließen, dass die Chemolumineszenz vielseitig

einsetzbar ist, was mir am Anfang meiner Jahresarbeit, als ich mir das Thema ausgesucht

hatte gar nicht bewusst war. Aufgrund der vielseitigen Einsetzbarkeit der Chemolumineszenz

konnte ich nicht tiefgründiger auf einzelne Anwendungsbereiche eingehen, wie zum Beispiel,

die Tumortherapie, die zu dem medizinischen Anwendungsgebiet gezählt hätte, da ich

ansonsten den vorgegebenen Rahmen dieser Jahresarbeit deutlich überschritten hätte. Auch

eine Erklärung hinsichtlich der Molekülorbitale wäre zu komplex für eine Jahresarbeit in

diesem Rahmen gewesen.

Insgesamt denke ich, dass ich die im Vorwort erwähnten Punkte anschaulich und plausibel für

den Leser dargestellt habe und geeignete Darstellungen verwendet habe, um dem Leser die

Thematik näher zu bringen und sie ihm verständlich zu gestalten.

22


8. Quellenangaben

8.1 Literaturverzeichnis

„Chemie des Alltags – Ein Lexikon der praktischen Chemie“, von Hermann Raaf,

Verlag Herder Freiburg im Breisgau (1990)

„Chemolumineszenz – Reaktionssysteme und ihre Anwendung unter besonderer

Berücksichtigung von Biochemie und Medizin“, von Steffen Albrecht, Herbert Brandl

und Thomas Zimmermann, Hüthig Verlag Heidelberg (1996)

„Kurzes Lehrbuch der organischen Chemie“, 3.Auflage, von Schrader,

Rademacher, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG (2009)

„Methods in Enzymology – Volume 305, Bioluminescence and

Chemoluminescence – Part C“, von Miriam M. Ziegler und Thomas O. Baldwin,

Academic Press California (2000)

8.2 Internetquellen

http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/Luminol.htm, 16.02.2014

http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/peroxyoxalat.htm, 2.02.2014

http://daten.didaktikchemie.unibayreuth.de/umat/chemolumineszenz/chemolumines

zenz.htm#was ist chemolumineszenz, 12.04.2014

http://www.chempage.de/versuche/OC/OC%20001/OC%20001.htm, 26.03.2014

http://www.chem-page.de/experimente/90-chemolumineszenz-mit-

luminol.html#Erklärung, 23.03.2014

http://lexikon.freenet.de/Hennig_Brand, 1.02.2014

http://de.wikipedia.org/wiki/Stein_der_Weisen, 1.02.2014

http://www.chemie.de/lexikon/Hennig_Brand.html, 1.02.2014

http://www.schulmediathek.tv/Chemie/Allgemeine+Chemie/Elemente+und+Atome/

Alchemie+und+die+Entdeckung+der+Elemente/?sid=1, 1.02.2014

http://www.chemicool.com/elements/phosphorus.html, 1.02.2014

http://www.scienceinschool.org/2011/issue19/chemiluminescence/german,

1.02.2014

23


http://de.wikipedia.org/wiki/Dioxetane, 15.04.2014

http://de.wikipedia.org/wiki/Luminophor, 1.02.2014

http://de.wikipedia.org/wiki/Chemolumineszenz, 1.02.2014

http://kaltes-licht.fsla.at/chemolumineszenz/frame_rechts_chemo_peroxy.htm,

14.04.2014

http://www.wissenschaft-im-dialog.de/aus-der-

forschung/wieso/detail/browse/1/article/wie-funktionieren-so-genannte-

knicklichter.html?tx_ttnews%5BbackPid%5D=89&cHash=ff3fb89a692e371b536ea

43c01348a7d, 14.04.2014

http://www.wissen-

digital.de/index.php?title=Spezial%3ASuche&profile=default&search=an%C3%A4

mie&fulltext=Search, 14.04.2014

https://www.chemiezauber.de/inhalt/q2/farbmittel-und-textilien/licht-und-

farbigkeit/theorie-der-farbigkeit/407-wellenlaenge-frequenz-farbe.html, 14.04.2014

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Wellenlaenge-wavelength.html,

14.04.2014

8.3 Abbildungsverzeichnis

Abbildungen Deckblatt: – httpswww.atto-tec.comuploadstx_wsflexsliderFluorescence-4-

colour_553x225.jpg, 15.03.2014

- http://www.scienceinschool.org/repository/images/issue19chemiluminescence15.jpg,

15.03.2014

Abbildung 1: Lichtspektrum, http://www.uniduesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/

Fotosynthese_neu/dateien/licht/licht.html, 1.02.2014

Abbildung 2: Elektronenübergang bis zur Entstehung des Lichts,

http://www.scienceinschool.org/print/2395, 1.02.2014

Abbildung 3: Farbwahrnehmung ,

http://www.filmscanner.info/BilderFM/AugeSignal1.gif, 15.04.2014

Abbildung 4: Fluorescein → Grün/ Gelbes Licht, http://t2.ftcdn.net/jpg/00/37/09/77/

400_F_37097787_Q By2whaV3jarF1VqeJ5n7pHoHdNipi16.jpg, 23.03.2014

24


Abbildung 5: Rhodamin B → Rotes Licht, http://www.chemie.uni-

jena.de/institute/oc/weiss/bilderN/dracula.jpg, 22.03.2014

Abbildung 6: Fotografiert von Sara Marques

Abbildung 7: Energiediagramm mit Legende, http://daten.didaktikchemie.uni-

bayreuth.de/umat/chemolumineszenz/chemolumineszenz.htm#was ist

chemolumineszenz, 12.04.2014

Abbildung 8: Reaktionsgleichung für die blaue Chemolumineszenz,

http://www.chempage.de/versuche/OC/OC%20001/OC%20001.htm, 26.03.2014

Abbildung 9: Deprotonierung der NH – Gruppen, http://www.chem-

page.de/showexperimente/67-chemolumineszenz-mit-luminol.html , 2.02.2014

Abbildung 10: Mesomere Grenzstruktur, sowie der nucleophile Angriff des

Wasserstoffperoxids, http://www.chem-page.de/showexperimente/67-

chemolumineszenz-mit-luminol.html , 2.02.2014

Abbildung 11: Entstehung des instabilen Ringschlusses, sowie die Katalyse,

http://www.chem-page.de/showexperimente/67-chemolumineszenz-mit-luminol.html ,

2.02.2014

Abbildung 12: Abspaltung der Stickstoffatome, http://www.chem-


Abbildung 13: Entstehung des 3 – Aminophthalat – Dianion, http://www.chem-


Abbildung 14: Das 3 – Aminophthalat – Dianion fällt in seinen Grundzustand zurück,

http://www.chem-page.de/showexperimente/67-chemolumineszenz-mit-luminol.html ,

2.02.2014

Abbildung 15: Reaktionsmechanismus – Peroxyoxalat, http://www.chemie.uni-

jena.de/institute/oc/weiss/peroxyoxalat.htm, 15.03.2014

Abbildung 16: Dioxetan, http://de.academic.ru/pictures/dewiki/49/1,2-dioxetane.png,

15.04.2014

Abbildung 17: Peroxid,

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Peroxide_group_v.2.png, 15.04.2014

Abbildung 18: Oxalsäureperoxyanhydrid, http://kaltes-

licht.fsla.at/chemolumineszenz/frame_rechts_chemo_peroxy.htm, 15.04.2014

25


Abbildung 19: Hämoglobin,

http://www.scienceinschool.org/2011/issue19/chemiluminescence/german, 4.02.2014

Abbildung 20: Aufbau eines Leuchtsstabs, http://daten.didaktikchemie.uni-

bayreuth.de/umat/chemolumineszenz/chemolumineszenz.htm#chemolumineszenz und

tumortherapie, 16.02.2014

Abbildung 21: Triamteren, http://www.pharmawiki.ch/wiki/media/Triamteren_1.png,

16.04.2014

Abbildung 22: Immunassaytechnik mit HRP,

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ECL.jpg, 16.04.2014

Chemolumineszenz das chemische Licht · von Wittenberg und Johann Daniel Kraft aus Dresden, die...

Documents

Transcript of Chemolumineszenz das chemische Licht · von Wittenberg und Johann Daniel Kraft aus Dresden, die...