Licht maken; Luminescentie

Inleiding In dit practicum hebben we geprobeerd om door middel van een chemische reactie licht te laten ontstaan. Dit lukte bij de een beter dan bij de ander; daarmee bedoel ik dat sommige lichtjes langer bleven branden als andere. Een goed voorbeeld van dit ‘licht maken’ is het breekstaafje. Maar hoe werkt zo’n breekstaafje nu eigenlijk? En waardoor komt het eigenlijk dat sommige lichtjes minder lang brandden dan de anderen?

Wat is licht? Het belangrijkste begrip in dit practicum is uiteraard licht. Iedereen denkt natuurlijk te weten wat licht is, maar wat is het begrip licht nou eigenlijk in werkelijkheid? Hieronder vindt je de woordenboekvertaling van het woord licht.

“Het natuurverschijnsel dat de voorwerpen zichtbaar maakt, hetzij afkomstig van de zon of een ander hemellichaam, hetzij van een brandend voorwerp.”

Hoe moeilijk het is om deze vraag te beantwoorden, blijkt wel uit de eeuwenlange geschiedenis van het wetenschappelijk onderzoek. Door de belegering in 212 v. Chr. van de stad Syracuse op Sicilië, weten we hoe de Griekse filosoof Archimedes voor de verdediging van de stad, zonlicht te hulp riep;

De geschiedenis van het licht. Door middel van holle spiegels richtte hij een bundel zonnestralen op de vijandelijke schepen, en was in staat deze in brand te laten vliegen. Hoewel iedereen met licht te maken heeft, is licht dus voor vele een tamelijk vaag verschijnsel.Dit is dan ook niet verwonderlijk, omdat men bij de natuurkundige verklaring van het verschijnsel licht, niet eenduidig is. Er wordt gesproken over licht als een golfverschijnsel, maar aan de andere kant wordt licht beschouwd alsof het uit deeltjes bestaat. Deze deeltjes worden fotonen genoemd en deze tweeslachtigheid, heeft een historische achtergrond; In de klassieke mechanica, de oude natuurkunde waarin onder andere Newton een belangrijke rol gespeeld heeft, werden alle verschijnselen die werden waargenomen, verklaard vanuit de opvatting dat licht zich als een golf voortplant. Deze opvatting over licht bleef lang overeind, en doet nu nog voor een groot gedeelte, totdat de moderne fysica z\'n intrede deed. Eind 1800, begin 1900, ging men op een moderne kleinschalige manier proberen natuurkundige verschijnselen te verklaren. De begrippen elektron, proton en neutron deden hun intreden.In de loop van de tijd werden steeds meer verschijnselen waargenomen die verband hadden met licht, maar die niet meer verklaard konden worden met het klassieke golfmodel.

Korte samenvatting van het begrip licht. Om tot in de details uit te leggen wat licht is, is erg moeilijk. Ik zal het simpel houden en je de reeks scheikundige termen en berekeningen besparen. In het kort samen gevat is licht het volgende:

Licht is dat deel van het spectrum van straling, dat waarneembaar is met het oog. De drie variabelen die licht beschrijven zijn de lichtsterkte of amplitude, de kleur en de polarisatie(ofwel de trillingshoek). Licht heeft een golflengte (in lucht) tussen 750 nm en 350 nm. De verschillende golflengtes worden door het oog gezien als verschillende kleuren: rood voor de langste golflengtes en violet voor de kortste. rood ligt tussen 650 nm en 750nm
oranje 585 nm en 650nm
geel 575 nm en 585nm
groen 490 nm en 575nm
blauw 420 nm en 490nm
paars (violet) 350 nm en 420nm
Licht plant zich voort door een vacuüm met een vaste snelheid van 299.792.458 meter per seconde ( = ca. 300.000 km/s), deze snelheid wordt de lichtsnelheid genoemd. Als licht door een transparant medium als lucht, water, of glas gaat, wordt de voortplanting vertraagd met een factor die brekingsindex wordt genoemd. Wat is luminescentie? Luminescentie is het uitzenden van licht door stoffen. Dit effect ontstaat als door toevoer van energie aan stoffen elektronen in een hoger energieniveau komen en bij terug val naar een lager niveau de energie vrijkomt in de vorm van licht.

Breekstaafjes Het simpelste voorbeeld van licht maken is natuurlijk het afstrijken van een lucifer, maar dit is echter iets anders dan het soort licht dat we met dit practicum hebben gemaakt. Het licht van een lucifer komt door de warmte die vrijkomt bij de wrijving, die straalt licht uit. Het licht dat wij hebben gemaakt straalde geen warmte af, integendeel zelfs. Dat noemen we luminescentie. Een voorbeeld van luminescentie dat bijna iedereen wel kent is het breekstaafje.

Wat is een glowstick of breekstaafje nu eigenlijk? Een breekstaafje is gewoon een plastic tube met daarin 2 vloeistoffen die, wanneer ze met elkaar in contact komen, een chemische reactie veroorzaken. Deze reactie heet luminescentie, en is verantwoordelijk voor de lichtgloed. Deze chemische reactie komt ook in de natuur voor, bijvoorbeeld bij de vuurvlieg.

Hoe activeer je een breekstaafje? De gloed wordt veroorzaakt door een chemische reactie die veroorzaakt wordt door het samenvloeien van 2 vloeistoffen. Eén van de 2 vloeistoffen zit in een kleine capsule binnen in de andere vloeistof. Door het breekstaafje te buigen, breek je die kleine interne capsule en lopen de 2 vloeistoffen samen. Om een optimaal resultaat te krijgen is het goed om de stick nog even te schudden, zodat de vermenging van de vloeistoffen optimaal is.

Hoe lang blijft een breekstaafje gloeien? Dit is sterk afhankelijk van de kwaliteit van breekstaafje dat je koopt. Sommige leveranciers bieden goedkope breekstaafjes aan die al na 2 a 3 uur uitgewerkt zijn. Ook het licht van deze sticks is minder intens. De wat duurdere en meer kwalitatieve breekstaafjes hebben een gemiddelde duur van 8 tot 12 uur. Grotere breekstaven, met een groter volume aan vloeistof gaan langer mee dan kleine breekstaafjes met weinig vloeistof. Het hangt dus ook af van de hoeveelheid vloeistof

Wordt een breekstaafje warm? Nee, het is niet zoals bij bijvoorbeeld 2 componenten lijm, dat braakstaafjes warm worden wanneer de componenten (chemische vloeistoffen) zich mengen. De omgevingstemperatuur heeft wel invloed op de lichtgloed. Wanneer je een breekstaafje in de ijskast plaatst, zal er nog nauwelijks een chemische reactie zijn en is er dus ook geen gloed meer. Wanneer je het breekstaafje op een warme plaats gebruikt is de lichtgloed des te intenser. Bij hogere temperaturen is de chemische reactie intenser, waardoor het breekstaafje wel sneller is uitgewerkt.

Uitvoering van het practicum

Benodigdheden - maatcilinder - bekerglas van 100 ml - roermotor - roervlo - 40 ml demiwater - 0,80 g natriumcarbonaat - 0,04 g luminol - bovenweger - 0,10 g ammoniumwaterstofcarbonaat - 0,10 g kopersulfaat - 4,0 g natriumwaterstofcarbonaat - 40 ml waterstofperoxide - stopwatch
Nota Bene: Al deze stoffen irriteren de huid en ademhalingswegen. Waterstofperoxide reageert heftig met vele stoffen en moet heel voorzichtig worden behandeld.

Uitvoering Meet in een maatcilinder 40 ml water af, in doe dit in een het bekerglas. Plaats het bekerglas vervolgens op de roermonitor, en creëer met behulp van de roervlo een klein draaikolkje in het water. Voeg 0,80 g natriumcarbonaat toe aan het water. Als het draaikolkje kleiner wordt op verdwijnt, regel dan met de draaiknop de snelheid van de roervlo, zodat het draaikolkje blijft. Wacht tot de vorige stof volledig is opgelost, nu kan je de luminol toevoegen. Het kan zijn dat er bolletjes luminol ontstaan, deze moet je dan fijn drukken met een lepeltje, kijk hierbij wel uit dat het bekerglas niet omvalt; de stoffen die erin zitten zijn niet ongevaarlijk! Na ongeveer 10 minuten is de luminol als het goed is opgelost. Dan kan je de ammoniumwaterstofcarbonaat toevoegen. Daarna moet je de roermotor laten draaien tot er een heldere oplossing is ontstaan. Pas als de ammoniumwaterstofcarbonaat volledig is opgelost, kan je het de kopersulfaat toevoegen. Daarna moet je weer een poosje wachten tot alles goed is opgelost. Vervolgens voeg je de natriumwaterstofcarbonaat toe. Dit is best een grote hoeveelheid stof, en kan je daarom niet in een keer toevoegen. Je kan het het beste in kleine scheutjes toevoegen, anders stopt de roervlo met draaien. Als alles goed is opgelost is oplossing A klaar. Haal het bekerglas van de roermotor. De roermotor heb je nu niet meer nodig. Oplossing B bestaat enkel uit waterstofperoxide. Het lokaal wordt nu verduisterd. Dan kan iedereen tegelijk oplossing A en B bij elkaar gieten. Als het goed is ontstaat er nu licht, meet met een stopwatch hoelang het licht blijft branden.

Resultaten Na het toevoegen van het natriumcarbonaat verschenen er belletjes. Verder gebeurde er niet veel; het was een heldere oplossing, en de snelheid van de draaikolk veranderde niet. Na het toevoegen van de luminol (die een gele kleur heeft) kleurde het water direct heldergeel. Er ontstonden geen bolletjes luminol. De luminol was al eerder opgelost dan de aangegeven 10 minuten. Na de ammoniumwaterstofcarbonaat (die een witte kleur heeft) toegevoegd te hebben, veranderde er niks kenmerkends aan de oplossing. Toen de kopersulfaat (die een blauwe kleur heeft) toegevoegd werd, kleurde de oplossing direct blauwgroen. Na het toevoegen van de natriumwaterstofcarbonaat werd het water naar mijn idee iets groener, maar er was geen duidelijk waarneembare kleurverandering. Nadat de oplossing bijna volledig opgelost was, had het een kleur die ik turkoois/blauwgroen zou noemen. De oplossing was helaas niet helemaal helder, maar er was geen tijd meer om nog langer te roeren. Dit tijdtekort kwam omdat we de natriumwaterstofcarbonaat iets te voorzichtig en de langzaam hadden toegevoegd. De kleuren van de oplossingen van de anderen waren niet allemaal het zelfde; sommigen waren felblauw of donkerblauw en anderen donkergroen, of een combinatie daarvan. Het lokaal werd verduisterd en we voegden de waterstofperoxide toe, hierbij ontstond een koude damp en de oplossing bruiste. Vervolgens ontstond er licht aan de onderkant van het bekerglas, dat omhoog kroop naar de bovenkant. Dit licht had bij iedereen dezelfde lichtblauwe kleur, ondanks dat de oplossingen allemaal verschillende kleuren hadden. Ons ‘lampje’ brandde slechts een seconde of 20/25. Dit kwam, zoals hierboven vermeld, oplossing A nog niet volledig opgelost waren. De meeste lichtjes brandden redelijk lang. Bij sommigen anderen, die ook niet lang licht hadden, kwam dit omdat ze de waterstofperoxide niet volledig hadden toegevoegd, omdat ze schrokken van de koude damp en dachten dat de waterstofperoxide op hun handen kwam. Er waren er ook bij die de ingrediënten misschien niet nauwkeurig afgemeten hadden. Hierbij dus het antwoord op de vraag in de inleiding; “waardoor komt het eigenlijk dat sommige lichtjes minder lang brandden?”

Conclusies Het is in feite niet erg moeilijk om zelf licht te maken, zolang je in bezit bent van de juiste stoffen. Je moet wel erg nauwkeurig te werk gaan om zo lang mogelijk licht te hebben, en dan nog is het maar van korte duur. Niet erg geschikt dus om thuis aan de muur te hangen. Wat mij verbaasde was dat de kleuren van de oplossing zo verschilde terwijl dezelfde ingrediënten in dezelfde hoeveelheid waren toegevoegd, en dat dit schijnbaar niets uitmaakte voor de kleur of duur van het licht. Een laatste leerzame conclusie is dat het erg belangrijk om de stoffen uit elkaar te houden, zodat je ze niet per ongeluk in de verkeerde volgorde toevoegt, wat bij mij bijna was gebeurd. Het is dus erg handig om per stof een kenmerk op te schrijven, zodat je later nog weet welke nou wat was.