Einleitung
Die Chemolumineszenz von Luminol lässt sich auf viele Weisen variieren. Hier wird eine zeitlich verzögerte Chemolumineszenz gezeigt, welche ähnlich wie die Landolt-Zeitreaktion funktioniert. Dabei leuchtet eine Lösung nach einer bestimmten Verzögerungszeit kurz blau auf.
Verwendete Chemikalien
| Chemikalie | |
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Gefahr |
5 g Kaliumhydroxid (Plätzchen), KOH – 56.11 g/mol Ätzkali, Kalihydrat, Kaliumoxidhydrat CAS-Nr.: 1310-58-3 – EG-Nr.: 215-181-3 Met. Corr. 1, Acute Tox. 4 (oral), Skin Corr. 1A, Eye Dam. 1, WGK 1 H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H314 Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P260 Staub/Rauch/Gas/Nebel/Dampf/Aerosol nicht einatmen. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P301 + P312 BEI VERSCHLUCKEN: Bei Unwohlsein GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. P303 + P361 + P353 BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. Sigma-Aldrich, 306568, SDB vom 30.04.2021 |
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0.3 g 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 CAS-Nr.: 521-31-3 – EG-Nr.: 208-309-4 WGK 3 Sigma-Aldrich, 123072, SDB vom 07.06.2021 |
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12 Tropfen Wasserstoffperoxid 3 %, H2O2 – 34.01 g/mol Hydrogenperoxid (IUPAC), Perhydrol CAS-Nr.: 7722-84-1 – EG-Nr.: 231-765-0 WGK 1 EUH210 Sicherheitsdatenblatt auf Anfrage erhältlich. Sigma-Aldrich, 88597, SDB vom 10.08.2021 |
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0.8 g l-Cysteinhydrochlorid-Monohydrat, C3H7NO2 · HCl · H2O – 175.63 g/mol CAS-Nr.: 7048-04-6 – EG-Nr.: 200-157-7 WGK 1 Sigma-Aldrich, C7880, SDB vom 20.04.2021 |
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Gefahr |
0.3 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat, CuSO4 · 5 H2O – 249.69 g/mol Kupfermonosulfat-Pentahydrat, Kupfervitriol-Pentahydrat CAS-Nr.: 7758-99-8 – EG-Nr.: 231-847-6 Acute Tox. 4 (oral), Eye Dam. 1, Aquatic Acute/Chronic 1, WGK 3 H302 Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H318 Verursacht schwere Augenschäden. H410 Sehr giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung. P264 Nach Gebrauch Haut gründlich waschen. P270 Bei Gebrauch nicht essen, trinken oder rauchen. P273 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P280 Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz/Gehörschutz tragen. P301 + P312 BEI VERSCHLUCKEN: Bei Unwohlsein GIFTINFORMATIONSZENTRUM/Arzt anrufen. P305 + P351 + P338 BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen. Sigma-Aldrich, 203165, SDB vom 12.10.2020 |
Verwendete Geräte, Versuchsaufbau
50-ml-Bechergläser, 100-ml-Becherglas, 200-ml-Becherglas, 300-ml-Becherglas, Magnetrührer, Einwegspritze, Glasstab
Versuchsdurchführung
Es werden folgende Lösungen hergestellt:
A: 0.8 g L-Cysteinhydrochlorid-Monohydrat in 50 mL Wasser lösen (relativ kurze Haltbarkeit!)
B: 5 g Kaliumhydroxid in 100 mL Wasser lösen, 0.3 g Luminol hinzufügen und durch Rühren lösen.
C: 0.3 g Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat in 40 mL Wasser lösen, davon 8.35 g in ein neues Becherglas überführen und mit Wasser auf 200 mL auffüllen.
Diese Lösungen werden in folgender Weise gemischt:
Lösung 1: 10 mL Lsg. C + 2 mL Wasser + 12 Tropfen (ca. 480 µl) Wasserstoffperoxid 3 %, z. B. mit einer Einwegspritze ohne Kanüle hinzutropfen.
Lösung 2: 1 mL Lsg. A + 5 mL Lsg. B
Der Raum wird abgedunkelt. Lösung 2 wird zu Lösung 1 geschüttet und mit einem Glasstab gut umgerührt. Nach ca. 10 Sekunden leuchtet die Flüssigkeit für 2–3 Sekunden hell auf. Anschließend leuchtet es noch eine Weile schwach nach. Durch Änderung der Konzentration der Ausgangsstoffe lässt sich die Dauer bis zum Blitz variieren. Am besten scheint sich dazu eine Verringerung der Menge der Kupfersulfatlösung (bei gleichbleibenden Mengen der anderen Lösungen) zu eignen, womit sich die Induktionszeit verlängert. Zusätzlich nimmt dabei die Helligkeit des Blitzes ab.
| Lsg. C (g) | Wasser(mL) | Verzögerung(s) |
|---|---|---|
| 10.23 | 1.77 | 11 |
| 8.53 | 3.47 | 14 |
| 7.47 | 4.53 | 18 |
| 6.89 | 5.11 | 30 |
![Abb. 1 – Verlauf des Leuchtens in 4 Bechergläsern mit unterschiedlichen Mengen an Kupfersulfatlösung (basierend auf dem Ersten unten verlinkten Video) [1].](/images/gleichungen/experimente/exp_chemolumineszenz_mit_luminol_der_blaue_blitz_1_verlauf_des_leuchtens.png "Abb. 1 – Verlauf des Leuchtens in 4 Bechergläsern mit unterschiedlichen Mengen an Kupfersulfatlösung (basierend auf dem Ersten unten verlinkten Video) [1].")
Reaktionsgleichung
Cystein ist eine proteinogene Aminosäure mit einer Thiolgruppe (R-SH). Mit Kupfer(II)-Ionen bildet es einen Komplex und maskiert so das Kupfer:
2 Cu2+ + 2 R-SH → [Cu2(R-SH)2]2+
Das Wasserstoffperoxid oxidiert die Thiolgruppe des Cysteins im Komplex (unter katalytischer Mitwirkung des Kupfers) langsam zu einer Disulfidbrücke, womit Cystin (RS)2 entsteht und der Komplex zestört wird. Dadurch gelangen die zuvor im Komplex gebundenen Kupfer(II)-Ionen in die Lösung:
2 R-SH + H2O2 → (RS)2 + 2 H2O
Die Kupfer(II)-Ionen können die Oxidation von Luminol katalysieren, wodurch Licht ausgesendet wird. Die Verzögerungszeit kann nach bisherigen Erkenntnissen nicht stark verlängert werden, ohne dass die Leuchtkraft deutlich abnimmt. Die Verzögerungszeit steigt mit abnehmender Temperatur der eingesetzten Lösungen. Bei Licht und ohne Luminol erfolgt statt eines Lichtblitzes eine Farbänderung von braun über ein offenbar kurzes blaues (?) Zwischenprodukt nach Hellgelb bis farblos. Die eingesetzte Luminolmenge kann u. U. deutlich reduziert werden, womit die Helligkeit zwar abnimmt, aber das Leuchten noch gut sichtbar sein sollte. Statt Cystein kann in ähnlicher Weise auch Cyanid eingesetzt werden. In diesem Fall gibt es beim Leuchten bzw. danach eine mehr oder weniger starke Gasentwicklung. Wegen der Ungiftigkeit von Cystein und dem Fehlen einer starken Gasentwicklung könnte man das Experiment auch z. B. in einer Getränkeflasche durchführen, was den Show-Effekt verstärkt.
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