Да будет свет! ( Не помню, кто сказал !)

На бескрайних просторах рунета я так и не нашёл приличного и понятного простому фтыкателю (часто со средним, а то и посредственным химическим образованием) описания и рецептур химических процессов, сопровождающихся излучением света. В меру своих знаний, я постараюсь объяснить уважаемым фтыкателям "чего это там светится".
В начале несколько тезисов об излучении света. Поток света состоит из фотонов. Каждый фотон был когда-либо испущен возбужденной молекулой (или атомом). Молекула может поглотить фотон (квант энергии), перейдя при этом в возбуждённое состояние. В возбуждённой молекуле один внешний электрон переходит на более высокую орбиту. Возбуждённая молекула менее устойчива и стремится вернуться в более устойчивое состояние. Она может:

1. Излучить квант в виде света.
2. Превратить энергию возбуждения в кинетическую энергию собственных колебаний, т.е. в тепло.
3. Передать энергию другой молекуле.
4. Вступить в химическую реакцию сама с собой (изомеризация!) или с другой молекулой.
5. "Отпустить" электрон и превратиться в положительно заряженный ион.

Возбудить молекулу можно целой кучей воздействий. Например, путём нагрева. При нагреве все вещества начинают светиться, в начале в инфракрасном, потом, с повышением температуры, в видимом свете. Спектр излучения чрезвычайно размыт (для твёрдых и жидких веществ), фактически непрерывен. Молекулу можно возбудить даже механическим путём. Некоторые соли урана дают вспышку света, если их положить на наковальню и ударить по ним молотком. Речь не идёт об атомной реакции, а только об возбуждении молекул в результате механического воздействия. Счетчики радиации не показывают какого-либо всплеска излучения. К сожалению (счастью), многие юные химики и физики не смогут поставить этот опыт самостоятельно в связи с дороговизной и недоступностью компонентов (включая кувалду и наковальню  ). Молекула может быть получена в возбуждённом состоянии в результате химической реакции. При облучении светом. Наконец молекула может просто получить от другой молекулы порцию энергии и перейти в возбуждённое состояние.
Теперь о видах возбужденного состояния. Их несколько (- Ага!). Электрон, как вам известно, имеет спин. В грубой интерпретации, это направление вращения. Два электрона, находящихся на одной орбите, должны иметь разные спины (принцип Паули). При возбуждении один электрон перескакивает на более высокую орбиту. Если он сохраняет спин, то такое антипараллельное состояние называется синглетным. Время, через которое электрон "соскальзывает" вниз составляет порядка 10-9 сек. Молекула в этот момент излучает квант энергии (свет). Это явление принято называть флюоресценцией. Если в результате какого-либо воздействия электрон в месте с переходом на более высокий уровень меняет спин, то такое состояние с параллельными спинами называется триплетным. Электрон не может "упасть" на родную орбиту, пока не поменяет спин в результате некоторых квантовых явлений. Ждать этого приходится до нескольких десятков секунд. Длительное излучение света в результате рекомбинации триплетно-возбуждённых молекул принято называть фосфоресценцией. (Светящиеся в темноте гандоны, это оно и есть! прим.Палавова Хуя).



Простой светящийся в темноте состав не сложно приготовить в домашних условиях. Вам понадобится флюоресцеин и борная кислота. Флюоресцеин - красный порошок, краситель, индикатор, в растворе имеет желтый цвет, который, в прочем, перебивается сильнейшей флюоресценцией красивого зелёного цвета. Очень часто его используют для подсвечивания воды в различного рода пене для ванн (Хвойный и т.д.). Одно время им окрашивали прозрачные пластиковые жетоны для метро. И так, на алюминиевую пластинку (ложку, кусочек фольги от одноразовой тарелочки) насыпаем несколько граммов борной кислоты, купленной в аптеке. Капаем несколько капель раствора флюоресцеина или той самой пены для ванн. Должна получиться кашица. Тщательно перемешиваем. Нагреваем над пламенем до высыхания и последующего расплавления. Остужаем на воздухе. Должна получиться стекловидная прозрачная масса желто-зеленого цвета. Если белая и пузырчатая, не прозрачная, значит, перегрели . Подержав состав на свету (ярче лучше) внесите в темноту и увидите сине-зелёное свечение. А таки, шо там происхоит? В полученном вами стекле борной кислоты "вморожены" молекулы флуоресцеина. При облучении светом молекулы красителя переходят в возбуждённое триплетное состояние. Окружающие его молекулы борной кислоты представляют собой жесткую матрицу, которая не имеет подходящих электронно-возбужденных уровней которые могли бы воспринять энергию возбужденной молекулы и преобразовать её в тепловую (колебательную). Помыкавшись некоторое время, электрон, наконец, меняет спин и садится на свою родную орбиту, а молекула флуоресцеина излучает свет. Вообще многие вещества при замораживании проявляют флуоресценцию и фосфоресценцию. Например, бензол при 77К(!) интенсивно светится при облучении ультрафиолетом и некоторое время после него. При температуре жидкого воздуха фосфоресцируют сахар и парафин. Если сможете получить к нему доступ, опустите кусок свечи в сосуд Дьюара (ОСТОРОЖНО!), а потом осветите лампой парафин. Через несколько секунд погасите лампу и увидите бледно-зелёное свечение парафина. К сожалению, холодильники большинства народа не могут дать такой температуры. Некоторые пацаны используют жидкий азот, а самые крутые перцы юзают жидкий гелий, так у них светится практически всё!



Поговорим о фосфоре, самом, пожалуй, известном светящемся веществе. Как это не обидно, но фосфор как вещество не светится! Светится его оксид, который получается в результате медленного взаимодействия с кислородом воздуха. Дело в том, что при окислении фосфора (Р) молекула оксида получается возбуждённой уже в момент образования. При окислении красного фосфора свечения нет, т.к. энергии не хватает на то что бы перевести оксид в возбуждённое состояние. Красный фосфор весьма слабо реагирует при обычной температуре с кислородом. Белый же очень легко окисляется и ему не нужно тратить энергию реакции на активацию следующей молекулы фосфора, и он передаёт энергию своему оксиду. Легко можно провести опыт по а) превращению красного фосфора в белый, б) демонстрации свечения при окислении белого фосфора. Понадобится толстый холодный несгораемый предмет, например наковальня из опыта по механическому активированию солей урана (см. выше), за не имением подойдёт стеклянная пепельница или пустая(!) бутылка из под пива (ВЫЛИТЬ, я сказала! - возмущённое замечание печени). С неиспользованного коробка спичек аккуратно отрываем полоску с фосфорной намазкой, постарайтесь взять поменьше бумаги и побольше намазки. Переворачиваем бутылку вверх дном. Если вы облились, значит не прислушались к совету печени! Вытираем насухо колени, пол, особенно тщательно соседку по столу и продолжаем. На дно бутылки (Снаружи!) уложим полоску намазки фосфорной стороной вниз. Аккуратно поджигаем. Пламя горящей полоски не должно быть большим. Идеально если оно будет ползучим и извилистым. После того, как всё погасло, убираем пепел. На донышке останется воскообразный налёт. Это и есть белый фосфор. Если провести по нему пальцем в темноте, увидите зелёный свет и на донышке и на пальце. Попробуйте размазать фосфор по пальцам, почувствуете тепло и увидите зелёное свечение. Это окисляется фосфор. При размазывании на свету хорошо заметен белый дымок. Можно даже разыграть друзей. Выйди из комнаты и намажь, например пупок, а потом ворвись в комнату с криком " Чем меня тут накормили!!" и продемонстрируй им дымящийся живот. После опыта выбросить пальцы, пупок, и бутылку. Если бутылку жалко, тщательно вымыть с мылом (а ещё лучше раствором медного купороса). При нагреве красный фосфор превращается в летучий белый. Он, в свою очередь, оседает на холодной поверхности. Помните! Белый фосфор ядовит, и предложение вымыть всё не шутка, а требование! Хотя чтобы отравиться, нужно спалить около сотни коробков и съесть результат.
Следующим номером программы, я думаю, пойдут долгоиграющие опыты. Одним из самых популярных веществ для игр со светящимися составами является люминол. Постарайтесь не путать с люминАлом (теги: барбитурат, наркотик, срок). ЛЮМИНОЛ это гидразид 3-аминофталевой кислоты. Можно синтезировать самому в лаборатории (http://chemister.mailru.com/Chemie/SINTEZ/luminol.htm). Хотя, если у вас есть доступ к такой лаборатории , то и достать люминол не составит проблемы. Можно купить в магазинах торгующих химреактивами. Несколько грамм вам хватит надолго. Люминол представляет собой желтый порошок, в нейтральном и кислом растворе дает голубую флуоресценцию. Используется в качестве индикатора кислотности, но в основном, в специфических реакциях с хемолюминесценцией. Хемолюминесценция люминола возникает при окислении его перекисными соединениями в щелочной среде в присутствии ионов с переменной валентностью.



Опыт уан (классический). В химстакан налить ~100 мл раствора люминола (1-2%) и немного меньшее количество перекиси водорода (2-3%). Добавьте щепотку красной кровяной соли K3Fe(CN)6. Возникает голубая флуоресценция. Прибавьте не много раствора щелочи (0.1 н. NaOH). Выключите свет и увидите, как жидкость в стакане светится ярким голубым цветом. Красную кровяную соль можно заменить медным купоросом (CuSO4) или хлорным железом (FeCl3). Гурманы могут использовать раствор крови. Только без расчленёнки! Выдавите из куриного окорочка. Практически эту же реакцию используют наши доблестные опера при поисках следов крови, которая, как известно из курса общей патолого-анатомии, содержит железо.

Опыт ту. В колбу 500 мл поместить сухой щелочи 35 гр.(KOH. Осторожно, едкое!). Добавить диметилсульфоксид 30 мл и 0.1-0.15 гр. сухого люминола. Закрыть колбу пробкой и сильно потрясти. Появляется яркое голубое свечение. Если свечение ослабевает, впустить в колбу воздух, открыв пробку.Эффект можно повторять в течение целого дня (или ночи, если подружка не против голубого...э-э.. света !). Диметилсульфоксид (99%) покупается в аптеке без рецепта под названием "Димексид".

Опыт сри. Растворите 0.12 гр. люминола в 250 мл воды. В другой таре 25 мл концентрированного раствора хлорной извести разбавьте в 225 мл воды. Оба раствора сильно охладите. Сливайте через воронку или Т-образный соединитель в длинную стеклянную трубку или спираль. Возникает интенсивное свечение по всей длине. Если растворы плохо охладить, то реакция протекает слишком быстро и вы не успеете ничего рассмотреть.

Опыт фоа. В высокий стакан налейте 20 мл раствора стирального порошка. Добавьте 10 мл 3%-раствора перекиси водорода и 5 мл 3%-раствора люминола. Отдельно разотрите несколько кристаллов перманганата калия и высыпьте в стакан. При перемешивании смесь вспенивается и возникает красивое искрение.
Если вас, всё-таки, неблагодарно заставили мыть посуду после всех этих опытов с люминолом, притемните помещение и увидите как светятся растворы люминола под действием хлорированной воды из водоровода.
Люминол в щелочной среде присоединяет к себе в часть принадлежащую фталевому циклу перекисный мостик. Полученная молекула находится в возбуждённом состоянии и , к тому же, не устойчива. Излучив квант, молекула распадается до аминофталевой кислоты. Если вас напрягает голубой ...э-э-э...цвет, то во всех опытах можно изменить его на другой путём добавления различных флуоресцентных (Важно!) красителей. Они "перехватывают" голубые кванты и переизлучают их на более низкой частоте. Рубрен, эозин, флуоресцеин, бриллиантовый зелёный и др.

Кстати о красителях. Есть такой краситель - метиленовый синий. Безвреден. Добывается в медлабораториях или у аквариумистов, они в нём рыбок замачивают для дезинфекции. При попадании в организм выделяется почками в неизменном виде и окрашивает ...ээ.. продукт жизнедеятельности в синий цвет. Несколько кристалликов подсовываем клиенту, поим пивом и через полчаса он выскочит из сортира с выпученными глазами, увидев синюю струю! Главное вкрутите в туалете маломощную лампочку (15-25 ватт), дающую желтый свет, тогда струя будет казаться ещё темнее. Будьте осторожны! Если после вашего дымящегося живота (см. выше), публика увидит ещё и пассажира с обнаженным енгом с которого капает что-то синего цвета, то некоторые впечатлительные особы могут повести себя неадекватно!
Теперь о светящихся палочках aka Light sticks. Благодаря нашим друзьям из Китая, вы, наверняка, видели и использовали эти штуки.



Гибкая прозрачная полиэтиленовая трубочка с раствором, а внутри стеклянная капсула с другим раствором. При изгибе внутренняя стеклянная капсула ломается и, растворы смешиваются. В результате возникает свечение. Принцип действия? Запросто! В стеклянной капсуле содержится уже знакомый вам пероксид водорода. В гибкой внешней капсуле флуоресцентный краситель и сложный эфир щавелевой кислоты (оксалат). При смешивании, перекись водорода окисляет оксалат и разрывает связи между кислородом кислоты и спиртовым остатком. Одиночный остаток щавелевой кислоты представляет собой бирадикал .O(OCCO)O. . Этот бирадикал сворачивается в кольцо и концевые радикалы реагируют друг с другом, образуя мостик -О-О- между атомами углерода. Энергия бывших радикалов остаётся в новообразованной молекуле и переводит её в возбуждённое состояние. Это вещество называется 1,2-диоксиэтан-3,4-дион или, короче, диоксетандион. Он весьма не устойчив и стремится "развалиться" на 2 молекулы углекислого газа. Но не может! Мешает избыток энергии. Ближайший пример из физики: Детская юла не падает, пока не растратит кинетическую энергию вращения. В таком псевдостабильном состоянии молекула диоксетандиона пребывает несколько секунд и, если не сталкивается с красителем, то выделяет энергию возбуждения в виде тепла, в нашем случае бесполезного. Флюоресцентный краситель при столкновении с диоксетандионом легко забирает энергию возбуждения себе и сам становится возбуждённым. Он потому и является флуоресцентным, потому что легко переходит в возбуждённое состояние и возвращается обратно, излучая свет. Освобождённая от избытка энергии молекула диоксетандиона тут же распадается на углекислый газ дважды. Флуоресцентный краситель, тоже не дурак, немедленно излучает фотон и переходит в спокойное прежнее низкоэнергетическое состояние. Таким образом, краситель не расходуется и является катализатором распада диоксетандиона. Краситель может содержаться и капсуле с перекисью водорода. В простых опытах можно использовать в качестве оксалата дифенилоксалат и устойчивые к перекиси водорода красители антраценового ряда. Например:9.10-дифенилантрацен (голубой свет), 9.10-бис(фенилэтинил)антрацен (зелёный), 5.6.11.12-тетрафенилнафтацен он же рубрен (красный).



Кстати, не верьте расказам о том "как мы разломали светящиеся палочки, раскрасились содержимым и потом всю ночь пугали девчонок". При попадании на кожу и вообще на органику перекись водорода через несколько минут распадается и свечение пропадает, а кислород воздуха дополнительно гасит свечение. Напугать девчонок таким образом можно только утром, когда вы появитесь перед ними с диким раздражением кожи на морде лица (краснота, пузыри…).

Эта статья не претендует на научно-точное освещение затронутых вопросов, однако призвана дать некоторые ответы на интересующие вас (нас?) явления. Автор, как обычно не жлобствует и разрешает копирование, цитирование, линкование в любых средствах интернета при условии указания авторства и URL источника.

С уважением Деволопер

Эта публикация не содержит военных, государственных, коммерческих секретов Российской Федерации. Все данные взяты из открытых источников информации:
Красовицкий Б.М., Болотин Б.М. Органические люминофоры. М. Химия, 1984.
Иванова М.А., Кононова М.А. Химический демонстрационный эксперимент. "Высшая школа",1969.
Http://www.sas.upenn.edu/~mtc/Lightstick.html
и др.


Цытато: «Заключительным пунктом нашей экскурсии была фосфорная пещера, в которой стены покрыты фосфором и от этого светятся.»



На все вопросы гугл даст ответ!

Tweet