Wird eine Alginatlösung mit Luminol versetzt, kann ein chemolumineszierender »Bubble-Tea« erzeugt werden.
Verwendete Chemikalien
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Achtung |
0.25 g Ammoniumchlorid, NH4Cl – 53.49 g/mol Salmiak |
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Achtung |
0.1 g Natriumcarbonat, Na2CO3 – 105.99 g/mol wasserfreie Soda |
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Luminol, C8H7N3O2 – 177.16 g/mol 5-Amino-2,3-dihydrophthalazin-1,4-dion (IUPAC), 3-Aminophthalsäurehydrazid, 5-Amino-1,2,3,4-tetrahydrophthalazin-1,4-dion |
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Gefahr |
33.33–83.33 g Wasserstoffperoxid 30 %, H2O2 – 34.01 g/mol Hydrogenperoxid (IUPAC), Perhydrol |
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oder |
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5–12.5 g Heitmann Reine Sauerstoffbleiche |
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Gefahr |
5 mg Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat, CuSO4 · 5 H2O – 249.69 g/mol Kupfermonosulfat-Pentahydrat, Kupfervitriol-Pentahydrat |
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0.5 g Natriumalginat, C6H9NaO7 – 216.12 g/mol Natrium-3,4,5,6-tetrahydroxyoxan-2-carboxylat (IUPAC), Algin, E401 |
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Achtung |
1.5 g Calciumchlorid (gekörnt), CaCl2 – 110.99 g/mol Calciumdichlorid (IUPAC), Chlorcalcium, Kalziumchlorid, Kalziumdichlorid |
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5 g d-(+)-Glucose, C6H12O6 – 180.16 g/mol Hexose (IUPAC), Traubenzucker, Dextrose |
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0.2 g Ascorbinsäure, C6H8O6 – 176.12 g/mol 5-[(1S)-1,2-Dihydroxyethyl]-3,4-dihydroxyfuran-2(5H)-on (IUPAC), (2R)-2-[(1S)-1,2-Dihydroxyethyl]-4,5-dihydroxyfuran-3-on, 3-Oxo-l-gulonsäure-γ-lacton, E 300, l(+)-Ascorbinsäure |
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oder |
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Achtung |
0.2 g Hydroxytyrosol, C8H10O3 – 154.16 g/mol 4-(2-Hydroxyethyl)benzen-1,2-diol (IUPAC), 3-Hydroxytyrosol, 4-(2-Hydroxyethyl)-1,2-benzoldiol, 2-(3,4-Dihydroxyphenyl)ethanol, β-3,4-Dihydroxyphenylethylalkohol, DOPET, Homoprotocatechuylalkohol |
Verwendete Geräte, Versuchsaufbau
Analysenwaage, Magnetrührer, Magnetrührfische, 1-L-Becherglas, 100-mL-Standzylinder oder 250-mL-Standzylinder, 250-mL-Becherglas, 3 × 100-mL-Becherglas, Spatel, Löffel, 3-mL-Einwegpipette, Sieb, Löffel, Glasstäbe
Versuchsdurchführung
Kupfersulfat-Lösung c(CuSO4) = 2 · 10−5 mol · L−1
5 mg Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat werden in 1 Milliliter dest. Wasser gelöst.
Oxidationsmittellösung (Wasserstoffperoxid oder Heitmann Reine Sauerstoffbleiche)
Wasserstoffperoxid 10 %: In einem Standzylinder werden 66.67 g dest. Wasser vorgelegt, 33.33 g Wasserstoffperoxid 30 % zugegeben und durchmischt.
Heitmann Reine Sauerstoffbleiche 5 %: In einem Standzylinder werden 95 g dest. Wasser vorgelegt und 5 g Sauerstoffbleiche aufgelöst.
I. Alginatlösung
25 mL dest. Wasser werden in einem 100-mL-Becherglas vorgelegt. Unter Rühren 0.25 g Ammoniumchlorid, 0.1 g Natriumcarbonat, eine Spatelspitze Luminol lösen und die Kupfersulfat-Lösung (c(CuSO4) = 2 · 10−5 mol · L−1) zugeben. Nun werden 0.5 g Natriumalginat und 5 g Glucose eingetragen und weiterrühren/quellen lassen. Entstandene Klümpchen können durch Erwärmen oder Zerdrücken entfernt werden.
II. Alginatbällchen
In einem 250-mL-Becherglas werden in 100 mL dest. Wasser 1.5 g Calciumchlorid gelöst. Die Calciumchlorid-Lösung wird in zwei 100-mL-Bechergläser aufgeteilt und in eines der Bechergläser das Antioxidans (Hydroxytyrosol oder Ascorbinsäure) gegeben. Der vordere Teil der Einwegpipette wird mit einer Schere abgeschnitten, um eine größere Öffnung zu erhalten. Mit der präparierten Pipette wird die Alginatlösung zu gleichen Teilen in die Calciumchlorid- bzw. Calciumchlorid/Antioxidans-Lösung getropft. Die in den Lösungen entstandenen Alginatbällchen werden mit einem kleinen Sieb entnommen und voneinander getrennt aufbewahrt.
III. Chemolumineszenz der Alginatbällchen
In den mit Wasserstoffperoxid 10 % befüllten Standzylinder werden nacheinander die unterschiedlichen Alginatbällchen gegeben. Es können auch zwei getrennte Standzylinder für die unterschiedlichen Bällchen verwendet werden. Dies ermöglicht eine separate und zeitgleiche Beobachtung.
Beobachtung
Alginatlösung (I): Es entsteht eine leicht bläulich-trübe und zähflüssige Flüssigkeit.
Alginatbällchen (II): Beim Eintropfen der Alginatbällchen-Lösung in die Calciumchlorid-Lösung bilden sich kleine, zähe Kügelchen.
Chemolumineszenz der Alginatbällchen (III): In einer oxidierenden Lösung (z. B. Wasserstoffperoxid) beginnen die Bällchen bläulich zu lumineszieren. Die mit einem Antioxidans versehenen Bällchen, sinken zu Boden und zeigen vorerst keine Lumineszenz! Erst nach kurzer Zeit setzt die Lumineszenz ein und sie steigen leuchtend an die Oberfläche.
Reaktionsgleichung
H2O2–CuSO4-System [2].
Die Kinetik der Cu(II)-katalysierten Zersetzung von Wasserstoffperoxid in alkalischem Medium wurde von Luo et al. untersucht [3]. Es wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, der fünf schnelle Gleichgewichte und fünf kinetische Schritte im pH-Bereich 11–12 umfasst: siehe Gleichungen 1–10, wobei R = [HO2•] + [O2• −].
H2O2 + HO − ⇌ HO2− + H2O
Cu2+ + HO2− + 3 OH − ⇌ O2Cu(OH)22− + H2O
Cu2+ + H2O2 + 3 OH − ⇌ HO2Cu(OH)2− + H2O
Cu2+ + 3 OH − ⇌ Cu(OH)3−
Cu2+ + 4 OH − ⇌ Cu(OH)42−
O2Cu(OH)22− → Cu(OH)2− + O2• −
HO2Cu(OH)2− → Cu(OH)2− + HO2•
Cu(OH)2− + O2 + OH − → Cu(OH)3− + O2• −
Cu(OH)2− + H2O2 → Cu(OH)3− + OH•
Cu(OH)2− + HO2− → Cu(OH)3− + OH• + OH −
OH• + H2O2 → H2O + HO2•
OH• + HO2− → H2O + O2• −
R + R → H2O2 (HO2− ) + O2 (+ OH − )
K1 (1)
K2 (2)
K3 (3)
K4 (4)
K5 (5)
k6 (6)
k6′ (6′)
k7 (7)
k8 (8)
k8′ (8′)
k9 (9)
k9′ (9′)
k10 (10)
Chemolumineszenz von Luminol
Das Luminol in den Alginatbällchen wird durch Oxidationsmittel (z. B. Wasserstoffperoxid) oxidiert – siehe obenstehende Reaktionsgleichungen. Bei dieser chemischen Reaktion wird Wärme- und Lichtenergie abgegeben. Als Katalysator wirken die zugesetzten Kupfer(II)-Ionen. Durch ein Antioxidans kann die Oxidation von Luminol kurzzeitig unterbunden werden, da bevorzugt das Antioxidans oxidiert wird (Abb. 7 & 8). Eine Lichtemission findet zunächst nicht statt. Erst wenn das Antioxidans vollständig oxidiert wurde, setzt die Chemolumineszenz der Alginatbällchen ein. Das Luminol gibt Stickstoff ab (Eliminierung) und unter Ringöffnung bilden sich die beiden vicinalen Carboxyl-Gruppen (Phthalat). Durch den Auftrieb des gebildeten Stickstoffs steigen die Alginatbällchen ebenfalls an die Oberfläche.
Medien
![Abb. 9 – Leuchtendes Alginat [1].](/images/experimente/chemolumineszenz_mit_alginatbaellchen/chemolumineszenz_mit_alginatbaellchen.jpg "Abb. 9 – Leuchtendes Alginat [1].")
Quellen
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