Barras luminosasImagen cortesa de Erik Solheim; origen de la imagen: Wikimedia Commons La medusa luminiscente, las lucirnagas, las divertidas barras luminosas; Emma Welsh nos presenta el bello y misterioso mundo de la quimioluminiscencia Las lucirnagas, las medusas y las barras unas vuelan, otras viven en las profundidades del ocano y las otras ofrecen entretenimiento en los clubs nocturnos. Cul es el vnculo? La respuesta son algunas reacciones qumicas intrigantes que producen luz.La Quimioluminiscencia es la produccin de luz a partir de una reaccin qumica. Dos compuestos qumicos reaccionan para formar un intermediario en estado excitado (alta energa), que se desexcita liberando parte de su energa como fotones de luz (ver glosario para todos los trminos en negrita) para alcanzar su estado fundamental (ver Figura 1, abajo).A + B -> AB* -> Productos + Luz Intermediario en estado excitadoFigura 1: Movimiento entre rbitas electrnicasUn tomo de hidrgeno en su estado fundamental. Un electrn se encuentra en rbita n=1. Cada capa tiene su propio nivel de energa.Cuando el tomo de hidrgeno absorbe un cuanto (cantidad definida) de energa, es promovido a un estado energtico superior (rbita n = 2) y ahora est en un estado excitado (alta energa). Esto se indica dibujando un asterisco (*) al lado de la molcula.El electrn cae a la posicin original en el estado fundamental (rbita n = 1). En el proceso, un paquete de energa (un fotn) es liberado en forma de radiacin electromagntica. La longitud de onda depende de la cantidad de energa. Si la longitud de onda est dentro del rango de luz visible, la transicin de electrones se percibe como la luz de un color particular. La longitud de onda determina el color (ver Figura 2, abajo) Imagen cortesa de Chemistry Review Figura 2: El espectro electromagntico. Haga clic sobre la imagen para ampliarlaImagen cortesa de NASA Las reacciones quimioluminiscentes no suelen liberar calor, porque en su lugar la energa se libera en forma de luz. El luminol produce luz cuando reacciona con un agente oxidante, la qumica de esta reaccin se muestra en el Cuadro 1.Cuadro 1: Luminol, una sustancia que brilla en la oscuridadLa liberacin de un fotn de luz de una molcula de luminol es un proceso con varias etapas bastante complejo. En una solucin bsica (alcalina), el luminol est en equilibrio con su anin, que lleva una carga -2. El anin puede estar en dos formas (o tautmeros), con las dos cargas negativas deslocalizadas en cualquiera de los oxgenos (forma enol) o en los nitrgenos (forma ketol; vase la Figura 3, abajo). El oxgeno molecular (O2)se combina con la forma enol del anin del luminol, oxidndolo en un perxido cclico. El oxgeno necesario se produce en una reaccin redox (es decir cuando ocurre una reaccin de reduccin y oxidacin) participando el perxido de hidrgeno (H2O2), hidrxido potsico y (por ejemplo) hexacianoferrato potsico (III) (K3[Fe(CN)6], tambin conocido como ferrocianuro potsico). El hexacianoferrato (III) in ([Fe(CN)6]3->) es reducido a in hexacianoferrato (II) ([Fe(CN)6]4-, dando ferrocianuro potsico, K4[Fe(CN)6]), mientras que dos tomos de oxgeno del perxido de hidrgeno se oxidan del estado de oxidacin -1 al 0:El perxido cclico se descompone para dar 3-aminoftalato (cido 3-amino-1,2-benenodicarboxlico) en estado excitado, junto con una molcula de nitrgeno (N2) ver Figura 3, abajo. Esta reaccin de descomposicin se ve favorecida porque la molcula de perxido cclico es altamente inestable, y la reaccin consiste en romper algunos enlaces dbiles. Tambin se ve favorecida por el aumento de la entropa (desorden), debido a la liberacin de una molcula de gas. Cuando el 3-aminoftalato excitado cae hasta el estado fundamental, un fotn de luz azul es liberado.Figura 3: Reacciones que conducen a la emisin de luz del luminolLos tautmeros son molculas con la misma frmula qumica, pero diferentes posiciones de los tomos o de los enlaces. Los dos tautmeros pueden interconvertirse; las flechas curvadas muestran el movimiento de electrones que provoca el cambio entre las dos formas. Haga clic sobre la imagen para ampliarlaImagen cortesa de Chemistry Review La quimioluminiscencia en ciencia forenseLos cientficos forenses utilizan la reaccin del luminol para detectar sangre en la escena del crimen. Una mezcla de luminol en una solucin diluida de perxido de hidrgeno se aplica en la zona donde los forenses sospechan que hay sangre. El hierro presente en el grupo hemo de la hemoglobina (ver Figura 4) en la sangre acta como catalizador de la reaccin descrita en el Cuadro 1. La habitacin debe estar oscura y si la sangre est presenta, un resplandor azul, con una duracin de 30 segundos, se observara. Los investigadores forenses pueden grabar el resplandor mediante el uso de pelcula fotogrfica, que puede ser utilizada como prueba en los tribunales de presencia de sangre en la escena. (Para una actividad de enseanza de la ciencia forense, ver Wallace-Mller, 2011.Debido a que el hierro acta como catalizador, slo se requiere en cantidades mnimos, por lo tanto, slo una pequea cantidad de sangre se requiere para producir un resultado positivo. Esto significa que la sangre se puede detectar incluso cuando no es visible a simple vista.

Figura 4: Grupo Hemo en la hemoglobinaEl tomo de hierro (Fe) en el centro del anillo porfirina cataliza la reaccin del luminolImagen cortesa de Chemistry Review El uso de luminol en la escena de un crimenImagen cortesa de How Stuff Works Uno de los inconvenientes de la utilizacin del luminol es que la reaccin puede ser catalizada por otras sustancias qumicas que pueden estar presentes en la escena del crimen, por ejemplo, el cobre que contienen las aleaciones, algunos productos de limpieza como la leja, e incluso el rbano picante. Los criminales inteligentes pueden limpiar la sangre con leja, que destruye la evidencia de sangre, pero la leja de la alfombra puede alertar a las personas ms pronto del crimen. La orina tambin contiene pequeas cantidades de sangre, que pueden ser suficientes para catalizar la reaccin del luminol. Una vez que el luminol ha sido aplicado a la zona, puede impedir que otras pruebas se realicen all. Sin embargo, a pesar de estos inconvenientes, el luminol todava es utilizado por los cientficos forenses como una herramienta para resolver el crimen.En el club nocturnoCuando doblas las barras luminosas y comienzan a brillar, la luz producida es un ejemplo de quimioluminiscencia (ver Figura 5). Las barras luminosas comprenden un tubo de plstico que contiene una mezcla de oxalato de difenilo y un colorante (que da a la barra su color). En el interior del tubo de plstico hay un pequeo tubo de vidrio que contiene perxido de hidrgeno. Cuando el tubo exterior de plstico es doblado, el tubo de cristal interior se rompe, liberando el perxido de hidrgeno e iniciando una reaccin qumica que produce luz (ver Cuadro 2). El color de la luz que la barra luminosa produce est determinado por el colorante usado (ver Cuadro 3). Las reacciones de quimioluminiscencia, como las de estas barras luminosas, dependen de la temperatura. La reaccin se acelera a medida que aumenta la temperatura doble tu barra en el agua caliente produciendo un brillo fantstico, pero que no durar tanto como a temperatura ambiente. Por el contrario, la velocidad de reaccin disminuye a bajas temperaturas; es por esto que mantener las barras luminosas en el congelador durante varias horas puede permitir que la barra brille de nuevo cuando se retira y se calienta, mucho despus de que hubiera dejado de brillar. La reaccin no se detiene por completo en el congelador, pero lo hace tan lento que el brillo es apenas perceptible.

Figura 5: Cmo funciona la barra luminosa? Haga clic sobre la imagen para ampliarlaImagen cortesa de Chemistry Review Cuadro 2: Qumica de las barras luminosas

Haga clic sobre la imagen para ampliarlaImagen cortesa de Chemistry Review Cuando el oxalato de difenilo reacciona con el perxido de hidrgeno (H2O2), es oxidado para dar fenol y perxido cclico, el perxido reacciona con una molcula de colorante para dar dos molculas de dixido de carbono (CO2) y en el proceso, un electrn en la molcula de colorante se promueve a un estado excitado. Cuando el tinte excitado (alta energa) vuelve a su estado fundamental, un fotn de luz de libera. La reaccin depende del pH. Cuando la solucin es ligeramente alcalina, la reaccin produce una luz ms brillante. Nota de seguridad: El fenol es txico, por lo que si la barra luminosa tiene escapes, tenga cuidado de no coger el lquido en sus manos, si lo hace, lvelos con agua y jabn inmediatamente. Ver tambin la nota de seguridad escolar general en Science in School.Cuadro 3: Qu hace diferentes los colores de las barras luminiscentes?Los colorantes utilizados en las barras luminiscentes son compuestos aromticos conjugados (arenos). El grado de conjugacin se refleja en el color de la luz emitida cuando un electrn cae desde el estado excitado al estado fundamental.

Haga clic sobre la imagen para ampliarlaImagen cortesa de Chemistry Review Barras luminosas vivasAlguna vez ha caminado a lo largo de una playa de noche y ha visto destellos de luz alrededor de sus pies? O ha estado en el campo por la noche y ha visto las lucirnagas revoloteando? Estos son ejemplo de bioluminiscencia y alrededor del 90% de la vida de aguas profundas tambin presentan este extrao fenmeno. Estos organismos han evolucionado para producir luz, porque tiene muchas funciones tiles. Resplandecer puede ser utilizado como un seuelo para atrapar a sus presas, como camuflaje o para atraer a potenciales parejas. Algunas bacterias incluso usan la bioluminiscencia para comunicarse. El trmino gusano de luz describe a las larvas de varias especies de insectos, incluyendo las lucirnagas, algunos de ellos se iluminan para ahuyentar a sus depredadores, mientras que otras especies usan su brillo para atraer a sus presas. Hay especies de calamares y crustceos que pueden liberar nubes de lquido bioluminiscente para confundir a los depredadores mientras escapan. Las criaturas que viven en las profundidades del ocano se han evolucionado para producir luz azul o verde, ya que transmite bien a travs del agua de mar. Esto se debe a que la luz azul tiene una longitud de onda ms corta que la luz roja, lo que significa que se absorbe con menos facilidad por las partculas en el agua.

Un lucirnaga resplandeciendoImagen cortesa de Terry Priest; origen de la imagen: Flickr Figura 6: La estructura de la luciferina de la lucirnaga. Haga clic sobre la imagen para ampliarlaImagen cortesa de Chemistry Review (structure) Las reacciones bioluminiscentes usan ATP (adenosn trifosfato) como fuente de energa. La estructura de las molculas que producen luz vara de especie a especia, pero todos ellos genricamente se denominan luciferinas. La estructura de la luciferina de la lucirnaga se muestra en la Figura 6, a la izquierda. Cuando las lucirnagas brillan, la luciferina se oxida para producir un complejo excitado, que vuelve a caer al estado fundamental, liberando un fotn de luz, al igual que la reaccin quimioluminiscente del luminol descrita en el Cuadro 1. Sin embargo, las lucirnagas no utilizan perxido de hidrgeno ni hexacianoferrato potsico (III) para la oxidacin de la luciferina, sino que usan el oxgeno molecular y un enzima llamado luciferasa (esto tambin es un nombre genrico las luciferasas varan de una especie a otra).LuciferasaLuciferina + O2 ? Oxiluciferina + LuzHa habido una serie de experimentos que investigan aecuorina, una protena encontrada en ciertas medusas, que produce luz azul en presencia de calcio (ver Shaw, 2002, y Furtado, 2009) y por lo tanto puede ser utilizada en biologa molecular para medir los niveles de calcio de las clulas. Algunos cientficos han propuesto otras ideas para la utilizacin de la bioluminiscencia en el futuro, por ejemplo, el rbol de navidad con luz propia. Puedes pensar en cualquier interesante uso potencial de este fenmeno natural?

Aecuroina fue descubierta por primera vez en la medusa Aequorea victoriaImagen cortesa de Typoform / the Royal Swedish Academy of Sciences (RSAS) GlosarioAnin: un tomo (o grupo de tomos) que lleva una carga negativa. ATP: adenosn trifosfato presente en todas las formas de vida conocidas. Es la moneda de energa primaria en las clulas. El ATP se forma a partir del ADP (adenosn difosfato) y fosfato durante reaccin donadoras de energa (por ejemplo, la oxidacin de la glucosa), y se rompe (a ADP y fosfato) para liberar esta energa con el fin de impulsar reacciones desfavorables.Bioluminiscencia: La produccin de luz por organismos vivos. La bioluminiscencia puede ser consecuencia de la absorcin de luz (fluorescencia o fosforescencia, por ejemplo, en muchos peces de aguas profundas) o de una reaccin qumica (quimioluminiscencia, por ejemplo, en lucirnagas).

Haga clic sobre la imagen para ampliarlaImagen cortesa de Chemistry Review Catalizador: Sustancia que hace que una reaccin ocurra ms rpido, pero que no experimenta un cambio qumico permanente durante la reaccin (es decir, no se utiliza en la reaccin). Los catalizadores trabajan al proporcionar una ruta alternativa para que la reaccin necesite menos energa.Quimioluminiscencia: Es un tipo de luminiscencia en la cual los electrones son excitados por una reaccin qumica, por ejemplo, la reaccin del luminol que se describe en el Cuadro 1.Conjugados: Los sistemas conjugados surgen principalmente en la qumica donde hay enlaces dobles cerca de otros. Los tomos en un sistema conjugado se mantienen unidos por enlaces covalentes y se alternan enlaces simples y mltiples (principalmente enlaces dobles, pero los triples enlaces tambin son capaces de estar en una conjugacin). Los alquenos son planos, los sistemas conjugados deben ser siempre planos para permitir la deslocalizacin de los electrones en todo el sistema. Las molculas del colorante en el Cuadro 3 son ejemplos de compuestos conjugados.Enlaces covalentes: Enlaces entre dos tomos donde se comparten un par de electrones entre ellos.Deslocalizacin: Cuando las molculas tienen enlaces conjugados, los electrones son libres de moverse a lo largo de todo el sistema conjugados. Estos se conocen como electrones deslocalizados. Los electrones en un anillo benceno estn deslocalizados, y es por eso que todos los enlaces carbono-carbono tienen la misma longitud.

Los electrones en el benceno estn deslocalizados en un sistema conjugadoImagen cortesa de Chemistry Review Fluorescencia: Un tipo de luminiscencia en la cual los electrones son excitados por la luz, por ejemplo, en las marcas de seguridad de los billetes de banco.Luminiscencia: La produccin de luz, por lo general a bajas temperaturas, por ejemplo, por reacciones qumicas o de energa elctrica. La incandescencia, al contrario, es la luz generada por altas temperaturas.Fosforescencia: Como la fluorescencia, pero el brillo dura ms tiempo (de acuerdo con algunas definiciones, ms de 10 nanosegundos), por ejemplo, las pegatinas que brillan en la oscuridad.Fotn: Un cuanto (paquete) de energa luminosa.