QUE PHÁT SÁNG VÀ NHỮNG PHẢN ỨNG HÓA HỌC TS. Giang Ngọc Hà
Việc phá vỡ thứ gì đó hiếm khi mang lại niềm vui—trừ khi bạn đang kích hoạt que phát sáng (Glow stick). Chỉ cần uốn cong một thanh nhựa cho đến khi bạn nghe thấy tiếng tách, và bạn đã có một cây đũa phép tỏa sáng để soi đường cho mình. Cho dù bạn đang vui đùa trong lễ Halloween hay khiêu vũ suốt đêm, que phát sáng sẽ mang đến nguồn ánh sáng khá là “ngầu”. Ánh sáng đó được tạo ra bởi một phản ứng hóa học – một hiện tượng được gọi là phát quang hóa học.
Trong que phát sáng, các chất hóa học (phản ứng với nhau để tạo ra ánh sáng) được giữ riêng biệt cho đến thời điểm thích hợp. Ống nhựa bên ngoài của que phát sáng chứa dung dịch gồm oxalate ester và thuốc nhuộm (dye- mang màu) giàu electron cùng với lọ thủy tinh chứa đầy dung dịch hydrogen peroxide (H2O2). Dấu hiệu bắt đầu phản ứng báo hiệu rằng bạn đã làm vỡ ống thủy tinh, giải phóng hydrogen peroxide. Khi các hóa chất trộn lẫn, phản ứng sẽ trải qua nhiều bước trước khi phát ra ánh sáng.
Đầu tiên, hydrogen peroxide và oxalate ester phản ứng để tạo thành chất trung gian có năng lượng cao. Tuy nhiên, Gary B. Schuster, giáo sư hóa học tại Viện Công nghệ Georgia, đã và đang nghiên cứu về phản ứng này đã phát biểu rằng bản chất chính xác của chất trung gian đó vẫn còn là một điều bí ẩn. Nhiều nhà hóa học tin rằng đó là phân tử cấu trúc mạch vòng bị kéo căng (strained) 1,2-dioxetanedione. Nhưng dù đã 50 năm tìm kiếm nhưng không có bằng chứng trực tiếp nào về hợp chất đó, ông nói.
Mặc dù các nhà hóa học không chắc chắn về cấu trúc chính xác của chất trung gian năng lượng cao này, nhưng họ biết đó là chất nhận điện tử tốt. Nó lấy một electron từ chất mang màu (dye) và sau đó phân hủy thành carbon dioxide và một anion gốc tích điện âm. Chất mang màu (dye) đã trở thành cation gốc tích điện dương, sau đó lấy lại một electron từ anion gốc CO2.
Khi lấy lại electron, thuốc nhuộm thu được năng lượng dư thừa. Phân tử sử dụng năng lượng đó để chuyển sang trạng thái kích thích trước khi rơi trở lại và phát ra năng lượng dưới dạng photon ánh sáng. Hệ quả là que nhựa của bạn phát sáng.
Mặc dù hiện nay một số cải tiến đã mang que phát sáng đến với đại chúng, nhưng nền tảng hóa học của hiện tượng này đã được phát hiện trong tủ đựng đồ của người gác cổng ở New Jersey vào năm 1962. Lúc đó, Edwin A. Chandross, một tiến sĩ hóa học mới tốt nghiệp làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell, đang nghiên cứu phản ứng hóa học tạo ra ánh sáng. “Công ty đã rất hào phóng cung cấp cho tôi một căn phòng tối để thực hiện các thí nghiệm phát quang hóa học,” Chandross châm biếm, ám chỉ đến chiếc tủ nhỏ, tối bên cạnh phòng thí nghiệm của ông.
Một ngày nọ, Chandross cho một dẫn xuất xanthone mà ông đã điều chế với oxalyl chloride thành hydrogen peroxide với một ít thuốc nhuộm anthracene được thêm vào trong hỗn hợp. Phản ứng tạo ra ánh sáng yếu. Nhưng khi Chandross cố gắng lặp lại phản ứng với một mẫu dẫn xuất xanthone sạch hơn, hỗn hợp vẫn có màu tối. Đó là lúc Chandross chợt nhận ra rằng đó là oxalyl chloride còn sót lại phản ứng với hydrogen peroxide và thuốc nhuộm trong thí nghiệm đầu tiên. Khi anh thử trộn ba thành phần đó lại, ánh sáng đã quay trở lại.
Chandross nói: "Bộ phận luật sư cấp bằng sáng chế của tôi đã từ chối nộp đơn xin cấp bằng sáng chế. Và tôi đã không nhận ra điều này thực sự quan trọng đến mức nào". Chandross đã công bố phản ứng trên tạp chí Tetrahedron Letters (1963, DOI: 10.1016/S0040-4039(01)90712-9)), và nó đã thu hút sự chú ý của Michael M. Rauhut, người quản lý nghiên cứu thăm dò tại công ty hóa chất American Cyanamid.
Rauhut và đồng nghiệp của ông, Laszlo J. Bollyky, đã thay thế hợp chất có hoạt tính oxalyl chloride mà Chandross sử dụng bằng oxalate ester có hoạt tính kém hơn và bền hơn, được tạo thành trên nền oxalate ester thơm. Các nhà hóa học tại American Cyanamid cũng đã thêm một ít bazơ salicylate để xúc tác cho phản ứng cũng như thử nghiệm tạo ra nhiều loại thuốc nhuộm có nhiều màu khác nhau. Trong các loại que phát sáng hiện đại, rhodamine B tạo ra màu đỏ rực rỡ; 9,10-bis(phenylethynyl)anthracene phát ra ánh sáng xanh lục; và 9,10-diphenylanthracene phát sáng màu xanh lam.
Trong khi hầu hết mọi người liên tưởng que phát sáng với thị trường mới lạ, chúng cũng có những công dụng nghiêm túc hơn. Đó là lý do tại sao quân đội Hoa Kỳ đã tài trợ một phần công việc mà các nhà hóa học American Cyanamid đã thực hiện để phát triển hóa học của que phát sáng. Các nhà hóa học do Herbert Richter đứng đầu tại Trạm Vũ khí Hàng không Hải quân Hoa Kỳ China Lake đã phát triển que phát sáng hóa học cùng thời điểm Chandross thực hiện khám phá về phát quang hóa học tại Bell Labs.
Donald Schmidt, phó chủ tịch cấp cao của Cyalume Technologies, một công ty phát triển từ American Cyanamid, cho biết, ngày nay, thị trường que phát sáng của chính phủ rất lớn. Ông cho biết thị trường chính phủ trị giá khoảng 35 triệu USD một năm so với ước tính của ông là khoảng 40 triệu USD cho thị trường mới.
Cyalume cung cấp que phát sáng mà quân đội Hoa Kỳ và Bộ Quốc phòng sử dụng cho các cuộc tập trận huấn luyện và hoạt động thực địa, đồng thời que phát sáng có thể giúp cứu sống nhiều sinh mạng. Ví dụ, áo phao được trang bị các thiết bị này có thể giúp lực lượng cứu hộ tìm thấy người bị mất tích trên biển. Khi trong trường hợp gặp khói dễ cháy nguy hiểm, que phát sáng có thể cung cấp ánh sáng mà không có nguy cơ bắt lửa.
Linda Jacob, giám đốc dịch vụ hóa học của Cyalume, cho biết trong gần 60 năm kể từ khi hóa chất que phát sáng lần đầu tiên được phát hiện, đã có một số cải tiến về hóa học.
Một số thay đổi đó liên quan đến an toàn. Ví dụ, oxalate ester được sử dụng trong que phát sáng cách đây nhiều thập kỷ đã tạo ra trichlorophenols—những chất hóa học có thể tiếp tục tạo thành dioxin halogen hóa độc hại. Jacob cho biết, để loại bỏ trichlorophenol, Cyalume đã chuyển sang dùng trichlorsalicylate oxylate ester, an toàn hơn. Công ty hiện cũng sử dụng butyl benzoate và triethyl citrate làm dung môi thay vì phthalate, một số chất trong số đó đã được xác định là chất gây rối loạn nội tiết. Tuy nhiên, hầu hết các loại que phát sáng mới vẫn sử dụng phthalates, cô nói.
Những đổi mới về hóa học cũng đã giúp tăng tuổi thọ và nhiệt độ hoạt động của que phát sáng. Jacob cho biết các nhà hóa học đã học được cách điều chỉnh thời gian chiếu sáng của phản ứng phát quang hóa học bằng cách điều chỉnh chất xúc tác salicylate. Cô nói: “Bạn có thể thay đổi thời lượng phát quang hóa học từ 30 giây thành 24 giờ. Các chất phụ gia hóa học khác cho phép que phát sáng dành cho quân đội hoạt động ở nhiệt độ –50 hay 50 °C. Jacob nói: “Cho dù bạn đang ở Bắc Cực hay trên sa mạc dưới ánh nắng mùa hè nóng nực, bạn sẽ đạt được hiệu suất khá gần như nhau”.
Vì vậy, lần tới khi bạn cầm một cây gậy phát sáng, hãy dành một chút thời gian để đánh giá cao phản ứng hóa học tuyệt vời đã làm bừng sáng buổi tối của bạn.
https://cen.acs.org/business/consumer-products/glow-sticks-s-chemical-reaction/99/i39?sc=231026_mostread_eng_cen
Khoa Công nghệ Hóa học
Ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
Xem thêm :