Kemilüminesans Tepkimesi Nedir? Kimyasal Tepkimeler Sonucu Işık Emisyonu Nasıl Gerçekleşir?

Kemilüminesans, (İng: "Chemiluminescence") kimyasal tepkimeler sonucu ışık emisyonu olayıdır. Başka bir ifadeyle bir kimyasal tepkime sonucunda tepkimenin gerçekleştiği ortamdan ışık yayılmasıdır. Genellikle moleküllerde bulunan atomların elektronlarının enerji seviyelerini değiştirmelerinden dolayı gerçekleşmektedir.

Kemilüminesans tepkimeleri hem görsel olarak ilgi çekici olmaları hem de birçok molekülün varlığının tespit edilmesine yardımcı olmaları nedeniyle kullanım alanı oldukça yaygın olan tepkimelerdir.

Kemilüminesans Tepkimeleri Nasıl Çalışır?

Kimyasal tepkimeler esnasında molekül ve atomların etkileşimi sonucu elektronların pozisyonlarında birtakım değişimler gözlenmektedir. Bu değişimler elektronların sahip olduğu enerji seviyesinin değişimiyle birlikte yaşanır.

Elektronlar atomlarda "n" ile ifade edilen katmanlarda bulunmaktadır. Elektronların kimyasal tepkime süresince enerji alması durumunda elektronlar uyarılabilir ve daha üst katmanlara geçebilir. Bu durum elektronların sahip olduğu enerji miktarının arttığını gösterir. Fakat elektronların tekrardan alt katmana gelmesi durumunda taşıdıkları fazladan enerjiyi dışarı atmaları gerekmektedir. Bu dışarı atım, enerjinin fotonlar şeklinde atılmasıyla gözlenebilir.

Elektromanyetik radyasyon olarak salınan fotonun dalga boyu gibi özellikler, salınan enerjiye bağlıdır. Dalga boyunun görünür ışık aralığında (380-700 nm) olması durumunda yayılan ışık çıplak gözle gözlemlenebilmektedir.

ResearchGate

Bahsedilen bu enerji salınımları, aslında birçok kimyasal tepkimede gözlemlenen bir durumdur. Fakat genellikle bu sürecin uzun sürelerde az enerji ile gerçekleşmesi veya salınan fotonların görünür bölgede olmaması gözlemi imkansızlaştırmaktadır.

Kemilüminesans tepkimeleri diğer tepkimelere kıyasla ısı emisyonu daha az olan tepkimelerdir. Bunun sebebi var olan enerjinin ısı enerjisi yerine ışık enerjisi olarak salınmasıdır.

Kemilüminesans Tepkimelerine Örnekler

Tarihte kemilüminesans tepkimeleri ilk kez trifenilimidazol molekülü ile gözlemlenmiştir. Trifenilmiadazol ((C₆H₅C)₂N₂HCC₆H₅) bileşiği, bazik çözeltilerle birlikte oksijenle temas halinde kemilüminesans tepkimesi vermektedir.

Lüminol (C₈H₇N₃O₂) bileşiğinin bazik ortamda hidrojen peroksit (H₂O₂) ile verdiği kemilüminesans tepkimesi en önemli tepkimelerden biridir. Bu tepkime sonucunda 3-3-Aminobenzen-1,2-dikarboksilik asit (C₈H₇NO₄) bileşiği oluşmaktadır. Tepkimenin bu kadar önemli olmasının asıl sebebi adli tıp uygulamalarında kullanılmasıdır. Hidrojen peroksit ve lüminol karışımı, kan içeren bir alana püskürtüldüğünde kanda bulunan hemoglobindeki demir bir tepkimeyi katalize eder ve kemilüminesans yoluyla ışık veren 3-Aminobenzen-1,2-dikarboksilik asit oluşur.

Lüminol, bazik özellik gösteren çözeltide -2 yüklü olarak dengeli şekilde bulunmaktadır. Lüminol hem oksijenli hem de azotlu şekilde olmak üzere 2 farklı şekilde bulunabilmektedir. Moleküler formdaki oksijen enol (oksijen içerikli) olarak bulunan lüminol ile tepkimeye girerek lüminolü siklik bir peroksit oluşturur. Tepkime için gerekli olan oksijen hidrojen peroksit, potasyum hidroksit (KOH) ve potasyum ferrisiyanürün (K₃N[Fe(CN)₆]) tepkimesi sonucu oluşmaktadır.

Siklik peroksit, uyarılmış bir durumda 3-aminoftalat (3-amino-1,2-benzenedikarboksilik asit) ve bir azot molekülü vermek üzere ayrışmaktadır. Bu ayrışma tepkimesi, siklik peroksit molekülünün oldukça kararsız olması ve tepkimenin bazı zayıf bağları koparması nedeniyle tercih edilmektedir. Ayrıca, bir gaz molekülünün serbest bırakılması nedeniyle entropideki (düzensizlik) artış nedeniyle de tercih edilmektedir. Uyarılmış 3-aminoftalat temel duruma düştüğünde, mavi ışık fotonu salınmaktadır.

Science Direct

Fakat lüminolün birçok dezavantajı da bulunmaktadır. Bunlardan en önemlisi lüminolün demir ve bakır içeren diğer maddelerle de aynı tepkimeyi gösteriyor olmasıdır. Hatta idrarda bulunan az miktardaki kan ve çamaşır suyu bile lüminolün aynı tepkimeyi vermesini sağlayabilir. Özellikle günlük hayatta insanlar tarafından çamaşır suyunun temizlik amacıyla kullanılması bu konuda ciddi bir dezavantajdır.

Hidrojen peroksit ile 2,4,6-triklorofenil oksalat (C₁₄H₄Cl₆O₄) arasında gerçekleşen tepkime günümüzde ışıklı çubuklarda kullanılan bir kimyasal tepkimedir. İlk basamakta hidrojen peroksit organik yapıya oksijene bağlanarak katılmaktadır. Daha sonra ortaya çıkan yapı analiz tepkimesi sonucu parçalanmakta ve oksalat (C₂O₄) bileşiği oluşmaktadır. Oksalat bileşiğinin florofor molekülü ile tepkimesi sonucu florofor moekülü uyarılır ve molekülün temel hale dönmesi durumunda ışık yayılmaktadır.

Işıklı çubuklardaki gibi kemilüminesans reaksiyonlarının hızları sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık arttıkça reaksiyon hızlanmaktadır. Işıklı çubuğun sıcak bir ortamda çalışması ışık salınımını yoğunlaştırır, fakat tepkime süresi oda sıcaklığında olduğu kadar uzun olamamaktadır. Tersine, reaksiyon hızı düşük sıcaklıkta yavaşlar; bu nedenle ışıklı çubuğunuzu birkaç saat dondurucuda tutmak, çubuğun çıkarılıp ısıtıldığında aksi takdirde ışık vermeyi bırakacağı uzun sürelerden sonra bile tekrar parlak bir şekilde ışık vermesini sağlayabilir. Reaksiyon dondurucuda tamamen durmaz, ancak ışık neredeyse fark edilemeyecek kadar söner.

Michigan Üniversitesi

Kemilüminesans Tepkimelerinin Uygulama Alanları

Kemilüminesans tepkimeleri, ışık üretebilme özellikleri sayesinde genellikle ışıldaklarda ve ışık çubuğu denilen; acil durumlarda, afetlerde elektriğe ulaşımın olmadığı ortamlarda kullanılan aletlerde sıklıkla kullanılmaktadır. Işık çubukları elektriğe, oksijene veya herhangi bir yakıta ihtiyaç duymaz. Ayrıca ısı ve atık oluşturmadığı için güvenlidir. Basınca karşı dayanıklılığı sayesinde de sualtında dalgıçlar tarafından da sıklıkla kullanılmaktadır.

American Chemical Society

Hava kalitesi ölçüm cihazları, genellikle azot oksit (NO) tespiti yapmak için kemilüminesans tepkimelerinden yararlanmaktadır. Ozon gazı (O₃) azot dioksit (NO₂) oluşturmak üzere azot oksit ile tepkimeye giren bir gazdır. Ozon gazının azot oksit ile vermiş olduğu tepkimede çıplak gözle görünmese dahi kızılötesi dalgalarda ışık yayılmaktadır. Kızılötesi ışınların incelenmesi ile birlikte azot oksit derişimi de bulunabilmektedir.