Явление хемилюминесценции — сложный физико- химический процесс, который связан с механизмами превращения энергии. В большинстве случаев, химические реакции, вызывающие эффект хемилюминесценции, подчиняются стандартным законам химии [1]. Однако существуют реакции, механизм и особенности протекания которых еще до конца не изучены. При этом явление хемилюминесценции находит все более широкое применение в различных отраслях науки. Это обстоятельство подтверждает актуальность исследований в рассматриваемой области научных знаний.
Непосредственные сведения о кинетике протекания химической реакции, протекающей с излучением света, и ее механизме может дать измерение яркости свечения и исследование интенсивности хемилюминесценции, в зависимости от различных параметров. Ранее проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что скорость химической реакции напрямую зависит от температуры, при которой протекает эта реакция. Чтобы выяснить, влияет ли температура непосредственно на процесс хемилюминесценции, были проведены экспериментальные исследования с использованием химического источника света (ХИС) кубической формы. Действие ХИС основано на химической реакции двух компонентов: красителя с дифенил оксалатом (вещества, полученного путем взаимодействия фенола с щавелевой кислотой) и перекиси водорода. При их смешивании происходит органическая химическая реакция, с выделением энергии, возбуждающей краситель, который начинает светиться. Цвет излучаемого света зависит от вида красителя. В нашем случае в реакционной смеси присутствовал краситель 9,10-бис-(фенилэтинил)-антрацен, обеспечивающий зеленое свечение.
Исследования осуществлялись с использованием экспериментальной установки (Рис.1). Химический источник света (3) в форме куба после активации (смешивания реагирующих компонентов механическим воздействием) помещали в разные температурные условия — в емкость с водой, нагретой или охлажденной до требуемых показателей. При разных температурах измерялась интенсивность хемилюминесценции. Измерения проводились при помощи консольного люксометра (4,5), собранного из электронных устройств на базе ISKRA JS и запрограммированного на языке JavaScript. Данные считывались с помощью приложения на компьютере (6).
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования реакции с хемилюминесценцией (1 — емкость с водой для поддержания температуры, 2 — термометр, 3 — активированный ХИС, 4 — фоторезистор люксометра, 5 — консольный люксометр ISKRA JS, 6 — компьютер, 7 — таймер)
Для каждого температурного режима исследовался новый ХИС, так как интенсивность его свечения зависит от времени начала реакции, и постепенно яркость свечения снижается. Измерение интенсивности хемилюминесценции осуществлялось через 10 минут после активации источника. По результатам эксперимента построен график зависимости яркости свечения от температуры (Рис.2), демонстрирующий, что увеличение температуры реакционной смеси приводит к увеличению яркости свечения ХИС, то есть к усилению хемилюминесценции.
Рис. 2. График зависимости яркости свечения от температуры
Связано это с тем, что при повышении температуры, скорость реакции увеличивается. Известно, что реакция протекает за счет столкновения атомов веществ. При столкновении реагируют только те молекулы, у которых достаточно энергии. В эксперименте при повышении температуры молекулы получают дополнительную энергию. То есть количество активных частиц увеличивается. И химическая реакция протекает быстрее [2,3].
Для подтверждения полученных закономерностей был проведен еще один эксперимент. ХИС кубической формы после активации помещался в определенные температурные условия и выдерживался в них в течение 10 минут для стабилизации температуры. Далее источник возвращали в нормальные температурные условия — 25oC. В течение последующих 15 минут консольным люксометром фиксировалась интенсивность хемилюминесценции, то есть регистрировалась яркость свечения источника. По полученным результатам построен график зависимости интенсивности свечения от времени изменения температуры объекта (Рис.3).
Рис. 3. График зависимости интенсивности хемилюминесценции от времени изменения температуры
График показывает, что при остывании нагретого ХИС интенсивность хемилюминесценции уменьшалась, а при нагревании остывшего — увеличивалась. Изменение силы свечения происходило за счет ускорения или замедления скоростей протекания химических реакций в источнике света. Следовательно, интенсивность хемилюминесценции непосредственно связана со скоростью реакции, в которой образуется возбужденная частица. А общая скорость реакции хемилюминесценции напрямую зависит от скорости образования продукта реакции, вероятности образования молекулы продукта в возбужденном электронном состоянии и вероятности выхода фотона при переходе возбужденной молекулы в основное состояние.
Экспериментальные данные показывают, что процессом хемилюминесценции при протекании химической реакции можно управлять, изменяя скорость реакции за счет изменения температуры. Если мы увеличим температуру, при которой протекает реакция, то скорость реакции станет больше и интенсивность свечения увеличится. И, наоборот, при снижении температуры скорость реакции замедляется, при этом наблюдается затухание люминесценции.
Стоит отметить, что хемилюминесценция может сопровождать как органические, так и неорганические химические реакции и является результатом экзотермического процесса. Полученные зависимости интенсивности хемилюминесценции от температуры в проведенных исследованиях доказывают химическое происхождение света в этих случаях.
Литература:
- Закотеев Ю. А. Хемилюминисценция. Принципы и методики регистрации, оборудование, задачи // (http://louvaahmar.narod.ru/doc/chemilumi-zakoteev.pdf)
- Лекции для учителей. Конспект лекций по общей химии. М. А. Ахметова // (http://him.1september.ru/2006/07/16.htm)
- Химическая кинетика. Почему важно исследовать влияние температуры на скорость химических реакций?// (http://www.himikatus.ru/art/ch-act/0428.php)
