Versuchsbeschreibung

Bei der Chemolumineszenz von Luminol gibt es viele Variationen, die unterschiedliche Effekte erzeugen, wie z. B. unterschiedliche Farben oder rhythmisches Leuchten. Ähnlich dem zweiten Beispiel, wo der Effekt durch Konkurrenz verschiedener Reaktionen hervorgerufen wird, lässt sich auch eine Zeitreaktion mit Luminol durchführen, die der bekannten Landolt-Reaktion ähnelt. Dabei ist die Verzögerung bis zum Leuchten durch die Konzentration der Ausgangsstoffe oder die Temperatur regulierbar.

 

Verwendete Chemikalien

Chemikalie Symbole H- / EUH- / P-Sätze

0.2 g Luminol, C8H7N3O2

5-Amino-2,3-dihydrophthalazin-1,4-dion, 3-Aminophthalsäurehydrazid
M: 177.16 g/mol

CAS-Nr.: 521-31-3
EG-Nr.: 208-309-4

WGK: 3

GHS07 – Ausrufezeichen

Achtung

H315: Verursacht Hautreizungen.

H319: Verursacht schwere Augenreizung.

H335: Kann die Atemwege reizen.

P261: Einatmen von Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol vermeiden.

P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen.

2 × 3.47 g Ammoniaklösung 25 %, NH4OH

Ammoniakwasser, Salmiakgeist
M: 35.05 g/mol

CAS-Nr.: 1336-21-6
EG-Nr.: 215-647-6
UN-Nr.: 2672

WGK: 2

GHS05 – Ätzwirkung

GHS07 – Ausrufezeichen

GHS09 – Umwelt

Gefahr

H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.

H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.

H335: Kann die Atemwege reizen.

H400: Sehr giftig für Wasserorganismen.

P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden.

P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen.

P301+P330+P331: BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen.

P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen.

P308+P310: BEI Exposition oder falls betroffen: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen.

7.4 g Wasserstoffperoxid 3 %, H2O2

Perhydrol, Wasserstoffsuperoxid
M: 34.01 g/mol

CAS-Nr.: 7722-84-1
EG-Nr.: 231-765-0

WGK: 1

 

-

0.34 g Kupfer(II)-chlorid-Dihydrat,
CuCl2 · 2 H2O

Kupferdichlorid-Dihydrat
M: 170.48 g/mol

CAS-Nr.: 10125-13-0
EG-Nr.: 231-210-2
UN-Nr.: 2802

WGK: 3

GHS05 – Ätzwirkung

GHS07 – Ausrufezeichen

GHS09 – Umwelt

Achtung

H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.

H302+H312: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken oder Hautkontakt

H315: Verursacht Hautreizungen

H318: Verursacht schwere Augenschäden.

H400: Sehr giftig für Wasserorganismen.

H410: Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.

P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden.

P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen.

P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen.

ca. 2 g Kaliumcyanid, KCN

Cyankali, Cyankalium
M: 65.12 g/mol

CAS-Nr.: 151-50-8
EG-Nr.: 205-792-3
UN-Nr.: 1680

WGK: 3

GHS06 – Totenkopf mit gekreuzten Knochen

GHS09 – Umwelt

Gefahr

H300+H310+H330: Lebensgefahr bei Verschlucken, bei Hautkontakt oder bei Einatmen.

H410: Sehr giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.

EUH032: Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase.

P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden.

P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen.

P302+P352: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser/Seife waschen.

P304+P340: BEI EINATMEN: Die Person an die frische Luft bringen und für ungehinderte Atmung sorgen.

P308+P313: BEI Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat einholen/ärztliche Hilfe hinzuziehen.

 

Verwendete Geräte, Versuchsaufbau

50-ml-Bechergläser, 200-ml-Becherglas, Magnetrührer, Einwegspritze, Glasstab

 

Versuchsdurchführung

Es werden folgende Lösungen hergestellt:

Ammoniaklösung 2.8 %: 3.47g Ammoniaklösung 25 % + 69 g Wasser

A: 3.47 g Ammoniaklösung 25 % + 69 g Wasser + 0.2 g Luminol

B: 0.34 g Kupfer(II)-chlorid-Dihydrat in 3.5 g Wasser lösen. Die Lösung mit 9 g Ammoniaklösung 2.8 % versetzen, rühren, bis die anfangs gebildete Kupferhydroxid-Trübung verschwindet und eine klare, tiefblaue Lösung entsteht. Unter Rühren so viel festes Kaliumcyanid hinzufügen, bis die Lösung vollständig entfärbt wird. Anschließend noch 5 % der bereits zugesetzten Menge hinzufügen (gesamte Menge Kaliumcyanid: ca. 2 g).

C: 7.4 g Wasserstoffperoxid 3 %

Zu 12.5 g Lösung A werden mit einer Spritze ohne Kanüle 7 Tropfen (280 µl) Lösung B gegeben. Um die Reaktion zu starten, werden 7.4 g der Lösung C hinzugegeben, sofort mit einem Glasstab umgerührt und der Raum abgedunkelt. Etwa 20 Sekunden nach Zusetzen des Wasserstoffperoxids leuchtet die Lösung unter Aufschäumen für ca. 2 Sekunden blau auf. Um verschiedene Verzögerungszeiten zu erhalten, kann die Menge an Lösung C (Wasserstoffperoxid) in folgender Weise verändert werden:

Lsg. C (g) Wasser(mL) Verzögerung(s)
7.44 0.00 20
6.10 1.34 24
5.18 2.26 30
4.50 2.94 35

Verlauf des Leuchtens in 4 Bechergläsern mit unterschiedlichen Wasserstoffperoxidmengen (basierend auf dem ersten unten verlinkten Video) [1].

Temperaturverlauf [1].

Die Temperatur steigt bis zum Blitz fast gar nicht und ca. 1 Sekunde vor der größten Helligkeit um 4–6 °C. Danach nimmt sie langsam ab (normales Abkühlen). Die sichtbare O2-Entwicklung beginnt erst nach der größten Helligkeit und hört ziemlich schnell fast komplett auf. Verzögerungszeit in Abhängigkeit einiger Parameter. Die drei Diagramme basieren auf leicht abgewandelten Mengen an Lösung A, B und C, weshalb sie nicht genau mit der Grafik oben (»Verlauf des Leuchtens ...«) übereinstimmen.

Diagramm der Wasserstoffperoxidkonzentration [1].

Diagramm der Kaliumcyanidkonzentration [1].

Diagramm des Temperaturverlaufs [1].

 

Reaktionsgleichung

Die Kupferionen bilden mit dem gelösten Ammoniak einen blauen Tetramminkupferkomplex:

Cu2+ + 4 NH3 → Cu(NH3)42+

Das Kupfer(II) wird durch das Cyanid zum Kupfer(I) reduziert. Das dabei gebildete Dicyan disproportioniert in der ammoniakalischen Lösung zum Cyanid und Cyanat. Zusätzlich werden die Kupferionen dem Tetramminkomplex entrissen und ein stabilerer Cyanidkomplex gebildet, das Kupfer wird somit maskiert:

2 Cu2+ + 9 CN − + 2 OH − → 2 Cu(CN)43− + OCN − + H2O

Das Wasserstoffperoxid oxidiert die Cyanidionen des Komplexes langsam zum Cyanat, womit der Komplex zerstört wird und die erste Reaktion ablaufen kann:

CN − + H2O2 → OCN − + H2O

Dadurch steht der Kupfertetramminkomplex als Katalysator für die Oxidation von Luminol zur Verfügung, wodurch Licht ausgesendet wird. Tatsächlich ist vermutlich ein zwischenzeitlich auftretender, unbekannter Kupferkomplex beteiligt und die Reaktion ist dadurch etwas komplizierter als hier dargestellt. Die Dauer bis zum Auftreten des Leuchtens kann durch Änderung der zugegebenen Wasserstoffperoxidmenge oder veränderte Temperatur variiert werden. Dabei wird die Dauer bis zum Leuchten erhöht, wenn eine geringere Menge an Wasserstoffperoxid eingesetzt wird oder die Reaktion bei tiefer Temperatur abläuft. Ein ähnlicher Effekt, wenn auch schwächer, kann durch eine erhöhte Menge Cyanidkomplex erzeugt werden. Sehr große Mengen des Cyanidkomplexes verursachen einen besonders kurzen Lichtblitz und sehr geringe Mengen (0.5 Tropfen) ein lang anhaltendes, jedoch schwaches Leuchten. Sehr große Mengen an Wasserstoffperoxid erzeugen ein Überschäumen der Lösung während des Leuchtens oder danach. Die Größenordnung des Versuchs kann beliebig verändert werden, wobei jedoch ein mögliches Überschäumen am Ende der Reaktion berücksichtigt werden muss. Bei Licht und ohne Luminol erfolgt statt eines Lichtblitzes eine Farbänderung von farblos zu Tiefblau. Bei niedriger Konzentration an Wasserstoffperoxid erfolgt der Farbumschlag nur langsam, bei hoher Konzentration wird er von einem plötzlichen Aufschäumen begleitet, was ca. 20–50 ms nach der Farbänderung beginnt. Die eingesetzte Luminolmenge kann um das bis zu 10-fache reduziert werden (20 mg statt 200 mg Luminol pro 100 mL Lösung A). Die Lichtemission ist dann etwas schwächer, aber noch gut sichtbar. Durch eine Pufferlösung aus Natriumcarbonat und -hydrogencarbonat soll die Leuchtkraft verstärkt werden können. Statt Cyanid kann in ähnlicher Weise auch Cystein (Aminosäure) eingesetzt werden. Allerdings ist das Leuchten dann nicht so hell.

 

Medien

Augenblick des Lichtblitzes ohne Durchmischung [1].

 

 

Quellenangaben

[1]
Pok. Der blaue Blitz. illumina-chemie.de, 2013. http://illumina-chemie.de/der-blaue-blitz-t3562.html [11.09.2013] mit freundlicher Genehmigung von Pok.
[2]
F. McCapra. Demonstrations of Chemiluminescence – A luminol clock reaction. In: Bioluminescence and Chemiluminescence Vol. 3, Academic Press: San Diego, 2000, 640–642.
[3]
B. Z. Shakhashiri. Luminol Chemiluminescent Clock Reactions. In: Chemical Demonstrations Vol. 1, Univ. of Wisconsin Press, 1983, 168–174.
[4]
E. H. White. An efficient chemiluminescent system and a chemiluminescent clock reaction. J. Chem. Educ. 1957, 34, 275.
DOI: 10.1021/ed034p275

 

Download

Chemolumineszenz mit Luminol – Der blaue Blitz 2

 

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