Tutte le risposte

0377. Quali sono i reagenti che costituiscono le candele di luce (lightsticks) o cyalume?

Quali sono i reagenti che costituiscono le candele di luce (lightsticks) o cyalume? Come si ottiene luce di diversi colori? Quando sono stati prodotti tali oggetti per la prima volta? Più in generale quale è il processo fisico-chimico che è implicato ? (Alfonso) (5342_3232_2265)


sem_esperto_verde

Nella prima metà del XIX secolo, lo scienziato inglese George Gabriel Stokes icona_biografia osservò che la fluorite Glossario, un minerale composto da fluoruro di calcio , emetteva una luce blu quando veniva illuminato con una luce ultravioletta . Le osservazioni di Stokes seguivano quelle eseguite nei precedenti venti anni da altri ricercatori trai i quali David Brewster e John Herschel. Nel 1833, il predicatore scozzese David Brewster aveva osservato che quando un raggio di luce attraversava una soluzione alcolica di clorofilla icona_glossario , esso appariva di colore rosso sangue, in contrasto con il colore verde del corpo della soluzione. Successivamente nel 1845, Sir John Frederik William Herschel, figlio del più famoso William uno dei padri dell’astronomia moderna, osservò che una soluzione incolore di solfato di chinina sviluppava un colore superficiale blu quando esposta alla luce del sole. Gabriel Stokes descrisse ed interpretò questo fenomeno, a cui diede il nome di fluorescenza icona_glossario , in un suo famoso lavoro del 1852 “ On the Change of the Refrangibility of Light ”. Egli dimostrò che questo processo è dovuto all’emissione di luce conseguente al suo assorbimento da parte della sostanza in esame.

Oggi sappiamo che la luminescenza icona_glossario , fenomeno generale di cui la fluorescenza è un caso particolare, è l’emissione di luce che si origina dagli stati elettronici eccitati delle molecole. In particolare, quando una molecola assorbe un’opportuna quantità di energia, uno degli elettroni che occupa uno degli orbitali icona_glossario icona_esperto[354] dello stato fondamentale può essere promosso in uno degli orbitali vuoti a maggiore energia. In questo modo si genera una specie non più in equilibrio che si trova in uno stato eccitato. Le molecole che si trovano nello stato eccitato tendono ad evolvere verso lo stato fondamentale di equilibrio dissipando l’energia accumulata in eccesso. Questo processo, detto di rilassamento, può avvenire in vari modi: ad esempio, disperdendo l’energia in eccesso attraverso l’aumento dei moti vibrazionali della molecola, trasferendo l’energia ad altre molecole; con la formazione o la rottura di legami chimici, oppure emettendo un fotone di luce. È proprio in ques’ultimo caso che si osserva appunto la luminescenza.

L’energia necessaria per generare uno stato eccitato può essere fornita alle molecole in vari modi. Quando l’emissione di luce viene stimolata dall’eccitazione per mezzo di una radiazione luminosa, come avviene per esempio nelle lampade fluorescenti icona_esperto[358] , si definisce il fenomeno fotoluminescenza; nel caso in cui l’eccitazione ha luogo per mezzo di una corrente elettrica, come avviene per esempio nei diodi a emissione di luce a base organica (OLED) , allora si parla di elettroluminescenza; mentre se l’energia di eccitazione viene fornita per mezzo di una reazione chimica, come avviene per esempio in natura coi segnali luminosi generati dalle lucciole, si osserva la chemiluminescenza .

Agli inizi degli anni ’60, Ed Chandross, ricercatore presso i Laboratori Bell di Murray Hill, NJ, icona_linkesterno stava cercando un modo per produrre la chemiluminescenza, quando dopo parecchio lavoro trovò che una miscela di cloruro di assalile, acqua ossigenata ed un colorante fluorescente era in grado di generare luce con una efficienza dello 0.1%. Chandross, inconsapevole del potenziale della sua scoperta, non la brevettò mai. Nello stesso periodo Mike Rauhut, capo del settore ricerca dell’American Cyanamid Company a Stamford, CT, icona_linkesterno , stava cercando di sviluppare una luce chimica sufficientemente intensa da avere applicazioni pratiche. Interessato ai risultati di Chandross, Rauhut con i suoi collaboratori alla Cyanamid preparò una serie di esteri ossalici , tra cui un estere fenil ossalico che miscelato con acqua osigenata ed un colorante era in grado di produrre luce con una efficienza del 5%. Verso la fine degli anni ’60, essi brevettarono il procedimento con il nome di Cyalume™, che divenne anche il marchio per la divisione dei prodotti chemiluminescenti dell’American Cyanamid Company. Successivamente, in seguito ad una riorganizzazione societaria, l’American Cyanamid Co. vendette la propria divisione di luce chimica ed i relativi brevetti e marchi registrati alla Omniglow di Springfield, MA, icona_linkesterno una fabbrica di prodotti chemiluminescenti, che tuttora continua lo sviluppo di nuovi prodotti per l’uso commerciale di luce chimica ed è detentrice legale del marchio Cyalume™.

sem_esperto_gialloLe candele luminose (lightstick) sono costituite da almeno tre componenti: due reagenti chimici, che miscelati interagicono liberando energia, ed un colorante fluorescente che assorbe questa energia e la converte in luce. Più dettagliatamente, un estere dell’acido fenil-ossalico viene fatto reagire con acqua ossigenata (H2O2); l’ossidazione dell’estere dà luogo alla formazione di due molecole di fenolo ed una molecola dell’estere perossiacetico (C2O4). Quest’ultimo è una specie altamente instabile che si decompone spontaneamente in anidride carbonica (CO2) liberando energia che viene trasferita al colorante, il quale a sua volta la rilascia sotto forma di energia luminosa hn (vedi schema di reazione):

estere fenilossalico + H2O2 → 2 fenolo + C2O4

C2O4 + colorante → 2 CO2 + colorante*

colorante* → colorante + hn

La sostanza asteriscata (colorante*) indica una molecola che si trova in uno stato eccitato, cioè in uno stato non di equilibrio ad una energia superiore rispetto a quella dello stato fondamentale di equilibrio al quale ritorna emettendo energia in tempi caratteristici della sua vita media Glossario .

In pratica l’estere utilizzato è il bis (2-carbopentiloxi-3,5,6-triclorofenil) ossalato (CPPO) disciolto in bis(etilxilil)ftalato in presenza di un catalizzatore, per esempio salicilato di sodio (un parente dell’aspirina). In questa soluzione, contenuta all’interno di un tubo di plastico (la candela luminosa), viene disciolto anche il colorante responsabile dell’emissione luminosa. L’altro reagente, cioè l’acqua ossigenata (H2O2), è racchiuso all’interno di una fiala di vetro che viene rotta piegando il tubo, consentendo così ai reagenti di venire a contatto e di dare inizio alla reazione. Per ottenere la luce di diversi colori si utilizzano diversi coloranti, singolarmente o in combinazione tra loro.

COLORE COLORANTE
Blu 9,10-difenil antracene
Verde 9,10-bis(feniletinil) antracene
Giallo

1-cloro-9,10-bis(feniletinil) antracene

5,6,11,12-tetrafenil naftacene

Arancio 5,12-bis(feniletinil) naftacene Rodamina 6G
Rosso Rodamina B

Nella tabella sono elencati alcuni dei coloranti più diffusi utilizzati per generare la luce dei rispettivi colori.

In particolare, nonostante sia possibile ottenere la luce rossa direttamente utilizzando un colorante (Rodamina B) , questo colorante non è molto stabile in soluzione con l’estere fenilossalico. Allora si preferisce inglobare nella plastica dell’involucro un pigmento rosso che assorbe la luce, in genere gialla, generata all’interno della candela e la riconverte in luce rossa. I colori più difficili da ottenere sono il blu, per l’alta energia di eccitazione necessaria, ed il rosso, per i motivi di stabilità del colorante già esposti, mentre il giallo ed il verde sono i più semplici.

ScienzaPerTutti_candele_di_luce

Il maggiore produttore mondiale di candele di luce è la Cina. Nel catalogo della Beijing Wenhaiyang Industry&Trading Co., Ltd sono presenti candele di luce azzurre, gialle, rosse, rosa, bianche ed anche arancio ma mancano quelle viola. Il fatturato mondiale relativo alle candele di luce è cresciuto moltissimo negli ultimi decenni. Le applicazioni delle candele di luce sono oggi molto numerose: attività militari, sicurezza, segnalazioni notturne, outdoor, caccia, pesca, campeggio, immersioni, festeggiamenti e mille altre ancora .

Mentre i colori precedenti possono essere ottenuti utilizzando un singolo colorante, per il viola invece è necessario utilizzare una miscela di tre coloranti e per la complessità della formulazione rappresenta l’incubo di tutti i produttori di candele luminose!!

Andrea Barbieri - Chimico

Nota Redazionale SxT

(bibliografia,webgrafia: cyalume – SxT_ es_377)

Joseph R. Lakowicz (1999). Principle of Fluorescence Spectroscopy, 2nd ed. New York, Kluwer Academy / Plenum Publishers.

Elizabeth Wilson. Light Sticks. Chemical & Engineering News 1999, 77, 65. Michael M. Rauhut;

Laszlo J. Bollyky. Generation of light by the reaction of anhydrides of oxalic acid with a peroxide in the presence of a fluorescer Patent nr. CA814907,1969-06-10

About Chemistry http://chemistry.about.com

HowStuffWork http://science.howstuffworks.com/light-stick.htm


Utilizza il filtro dei tags anche digitando le lettere della parola che stai cercando

© 2002 - 2018 ScienzaPerTutti - Grafica Francesca Cuicchio Ufficio Comunicazione INFN - powered by mspweb

NOTA! Questo sito utilizza i cookie e tecnologie simili.

Se non si modificano le impostazioni del browser, l'utente accetta. Per saperne di piu'

Approvo

Informativa sulla Privacy e Cookie Policy

Ultima modifica: 28 maggio 2018

IL TITOLARE

L’INFN si articola sul territorio italiano in 20 Sezioni, che hanno sede in dipartimenti universitari e realizzano il collegamento diretto tra l'Istituto e le Università, 4 Laboratori Nazionali, con sede a Catania, Frascati, Legnaro e Gran Sasso, che ospitano grandi apparecchiature e infrastrutture messe a disposizione della comunità scientifica nazionale e internazionale e 3 Centri Nazionali dedicati, rispettivamente, alla ricerca di tecnologie digitali innovative (CNAF), all’alta formazione internazionale (GSSI) ed agli studi nel campo della fisica teorica (GGI). Il personale dell'Infn conta circa 1800 dipendenti propri e quasi 2000 dipendenti universitari coinvolti nelle attività dell'Istituto e 1300 giovani tra laureandi, borsisti e dottorandi.

L’INFN con sede legale in Frascati, Roma, via E. Fermi n. 40, Roma, email: presidenza@presid.infn.it, PEC: amm.ne.centrale@pec.infn.it in qualità di titolare tratterà i dati personali eventualmente conferiti da coloro che interagiscono con i servizi web INFN

IL RESPONSABILE DELLA PROTEZIONE DEI DATI PERSONALI NELL’INFN

Ai sensi degli artt. 37 e ss. del Regolamento UE 2016/679 relativo alla protezione delle persone fisiche con riguardo al trattamento dei dati, l’INFN con deliberazione del Consiglio Direttivo n. 14734 del 27 aprile 2018 ha designato il Responsabile per la Protezione dei Dati (RPD o DPO).

Il DPO è contattabile presso il seguente indirizzo e.mail: dpo@infn.it

Riferimenti del Garante per la protezione dei dati personali: www.garanteprivacy.it

Il TRATTAMENTO DEI DATI VIA WEB

L'informativa è resa solo per i siti dell'INFN e non anche per altri siti web eventualmente raggiunti dall'utente tramite link.

Alcune pagine possono richiedere dati personali: si informa che il loro mancato conferimento può comportare l’impossibilità di raggiungere le finalità cui il trattamento è connesso

Ai sensi dell'art. 13 del Regolamento UE 2016/679, si informano coloro che interagiscono con i servizi web dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, accessibili per via telematica sul dominio infn.it, che il trattamento dei dati personali effettuato dall'INFN tramite web attiene esclusivamente ai dati personali acquisiti dall'Istituto in relazione al raggiungimento dei propri fini istituzionali o comunque connessi all’esercizio dei compiti di interesse pubblico e all’esercizio di pubblici poteri cui è chiamato, incluse le finalità ricerca scientifica ed analisi per scopi statistici.

In conformità a quanto stabilito nelle Norme per il trattamento dei dati personali dell’INFN e nel Disciplinare per l’uso delle risorse informatiche nell’INFN, i dati personali sono trattati in modo lecito, corretto, pertinente, limitato a quanto necessario al raggiungimento delle finalità del trattamento, per il solo tempo necessario a conseguire gli scopi per cui sono stati raccolti e comunque in conformità ai principi indicati nell’art. 5 del Regolamento UE 2016/679.

Specifiche misure di sicurezza sono osservate per prevenire la perdita dei dati, usi illeciti o non corretti ed accessi non autorizzati.

L’INFN tratta dati di navigazione perché i sistemi informatici e le procedure software preposte al funzionamento di questo sito web acquisiscono, nel corso del loro normale esercizio, alcuni dati la cui trasmissione è prevista dai protocolli di comunicazione impiegati. Questi dati - che per loro natura potrebbero consentire l'identificazione degli utenti - vengono utilizzati al solo fine di ricavare informazioni statistiche anonime sull'uso del sito e per controllarne il corretto funzionamento. Gli stessi potrebbero essere utilizzati per l'accertamento di responsabilità in caso di compimento di reati informatici o di atti di danneggiamento del sito; salva questa eventualità, non sono conservati oltre il tempo necessario all'esecuzione delle verifiche volte a garantire la sicurezza del sistema.

UTILIZZO DI COOKIE

Questo sito utilizza esclusivamente cookie “tecnici” (o di sessione) e non utilizza nessun sistema per il tracciamento degli utenti.

L'uso di cookie di sessione è strettamente limitato alla trasmissione di identificativi di sessione (costituiti da numeri casuali generati dal server) necessari per consentire l'esplorazione sicura ed efficiente del sito. Il loro uso evita il ricorso ad altre tecniche potenzialmente pregiudizievoli per la riservatezza della navigazione e non prevede l'acquisizione di dati personali dell'utente.

DIRITTI DEGLI INTERESSATI

Gli interessati hanno il diritto di chiedere al titolare del trattamento l'accesso ai dati personali e la rettifica o la cancellazione degli stessi o la limitazione del trattamento che li riguarda o di opporsi al trattamento secondo quanto previsto dagli art. 15 e ss. del Regolamento UE 2016/679. L'apposita istanza è presentata contattando il Responsabile della protezione dei dati presso l’indirizzo email: dpo@infn.it.

Agli interessati, ricorrendone i presupposti, è riconosciuto altresì il diritto di proporre reclamo al Garante quale autorità di controllo.

Il presente documento, pubblicato all'indirizzo: http://www.infn.it/privacy costituisce la privacy policy di questo sito, che sarà soggetta ad aggiornamenti.