Chemistry Learner

Ce este o reacție fotochimică?

Fotochimia este ramura chimiei care se ocupă cu procesele chimice care sunt cauzate de absorbția energiei luminoase. O reacție fotochimică este o reacție chimică inițiată prin absorbția de energie sub formă de lumină (fotoni), având ca rezultat produse specifice. De obicei, moleculele preferă să rămână în starea de energie minimă, cunoscută sub numele de stare fundamentală. Atunci când sunt excitate de fotoni, moleculele absorb energie și trec într-o stare tranzitorie, cunoscută sub numele de stare excitată. În această stare, proprietățile fizice și chimice ale moleculelor sunt complet diferite de cele din starea fundamentală.

Reacțiile fotochimice sunt determinate de numărul de fotoni care pot activa moleculele pentru a provoca reacția dorită. În timpul unei reacții fotochimice, aceste molecule tind să formeze o nouă structură. Ele ar putea să se combine între ele sau cu alte molecule și să transfere electroni, atomi, protoni sau altă energie de excitație către alte molecule, provocând astfel o reacție chimică în lanț prelungită. Reacția fotochimică poate avea loc în stare solidă, lichidă și gazoasă.

Dezvoltarea istorică a fotochimiei a avut loc la începutul anilor 1800. În 1817, fizicianul german Theodor von Grotthus a dezvoltat o înțelegere teoretică a procesului fotochimic. Mai târziu, în 1841, chimistul american John William Draper a studiat reacția fotochimică dintre hidrogen și gazele de clor.

Importanța reacției fotochimice

Reacțiile fotochimice sunt de mare importanță pentru susținerea vieții pe Pământ. Modificările chimice care au loc în gazele atmosferice ale Pământului sunt inițiate de radiația solară și modificate de particulele în suspensie. Studiul reacțiilor fotochimice din straturile superioare ale atmosferei a contribuit semnificativ la cunoașterea epuizării stratului de ozon, a ploilor acide și a încălzirii globale.

Reacțiile fotochimice au un avantaj deosebit față de alte tipuri de reacții. Reacțiile fotochimice necesită lumină solară, care este disponibilă din abundență. Având soarele ca figură centrală, originea vieții însăși trebuie să fi fost un proces fotochimic în condițiile primitive ale Pământului, deoarece radiația solară era singura sursă de energie. Moleculele gazoase simple precum metanul, amoniacul și dioxidul de carbon trebuie să fi reacționat fotochimic pentru a sintetiza molecule organice complexe precum proteinele și acidul nucleic de-a lungul timpului.

Procesul fotochimic demonstrează o economie perfectă a atomilor, deoarece transformarea este inițiată de un foton, mai degrabă decât de un reactiv suplimentar.

Principiul de bază al reacției fotochimice

O reacție fotochimică se bazează pe principiile fotochimiei. Atunci când lumina luminează o moleculă, aceasta trece într-o stare excitată, un proces cunoscut sub numele de fotoexcitație. Există două legi ale reacției fotochimice:

• Legea Grothuss-Draper: Această lege afirmă că o moleculă trebuie să absoarbă lumina pentru ca o reacție chimică să aibă loc.
• Legea Stark-Einstein: Această lege afirmă că pentru fiecare foton de lumină absorbit de o moleculă, doar o moleculă este activată pentru o reacție ulterioară.

Eficiența cu care are loc un anumit proces fotochimic este dată de un termen numit randament cuantic. Randamentul cuantic este definit ca fiind „numărul de moli ai unui reactant declarat care dispar, sau numărul de moli ai unui produs declarat produs, per mol de foton de lumină monocromatică absorbit”. Deoarece multe reacții fotochimice sunt complexe și pot concura cu pierderi de energie neproductivă, randamentul cuantic este de obicei specificat pentru un anumit eveniment.

Tipuri de reacții fotochimice

Iată tipurile de reacții fotochimice:

• Fotodisocierea: AB + hν → A* + B*
• Rearanjamente fotoinduse, izomerizări: A + hν → B
• Fotoadăugare: A + B + hν → AB
• Foto-substituție: A + BC + hν → AB + C
• Reacții foto-redox: A + B + hν → A- + B+

Exemple de reacții fotochimice

• În timpul unui proces de fotosinteză, pigmentul clorofilă din plante preia energia (hν) de la soare și apa (H2O) pentru a transforma dioxidul de carbon (CO2) în glucoză (C6H12O6) și oxigen (O2). Fotosinteza se poate realiza și în prezența luminii artificiale.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Fotografia utilizează acțiunea luminii asupra unor granule de clorură de argint (AgCl) sau bromură de argint (AgBr) pentru a produce o imagine. Halogenurile de argint (AgX) se descompun în argint (Ag) și halogen (X2). Această reacție este un exemplu de reacție de descompunere fotochimică.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Pilele solare, care sunt folosite pentru alimentarea sateliților și a vehiculelor spațiale, convertesc energia luminoasă de la soare în energie chimică și apoi eliberează această energie sub formă de energie electrică.
• Formarea vitaminei D prin expunerea pielii la lumina solară
• Compușii carbonilici suferă diverse reacții fotochimice atât în fază gazoasă, cât și în fază lichidă

• Formația de ozon în atmosfera superioară rezultă din acțiunea luminii solare asupra moleculelor de oxigen.

3 O2 + hν → 2 O3

Reacția fotochimică în atmosferă

Atmosfera conține unele substanțe gazoase care modifică local compoziția chimică a aerului. Din teoria moleculară cinetică a gazelor, moleculele prezente în atmosferă se mișcă și se ciocnesc între ele continuu. În timpul zilei, radiațiile solare sunt livrate continuu în atmosferă. Ca urmare, moleculele prezente în atmosferă absorb energia luminoasă și au loc reacții fotochimice. Reacțiile fotochimice joacă un rol crucial în determinarea naturii speciilor chimice, inclusiv a speciilor poluante, din atmosferă. Reacțiile de oxidare care au loc în atmosferă sunt determinate de energia solară.

Reacții de smog fotochimic

Smogul fotochimic este un amestec de poluanți care se formează atunci când oxizii de azot (NOx) și compușii organici volatili (COV) reacționează la lumina solară, creând o ceață maronie deasupra orașelor. Este un produs secundar al industrializării moderne. Smogul fotochimic poate afecta mediul înconjurător, sănătatea oamenilor și chiar diverse materiale. Substanțe chimice precum oxizii de azot, ozonul și nitratul de peroxiacetil (PAN) pot avea efecte dăunătoare asupra plantelor.

NOx și COV sunt poluanți primari, în timp ce ozonul, aldehidele și PAN sunt poluanți secundari. Ozonul din atmosferă ne protejează de razele ultraviolete ale soarelui, dar, la nivelul solului, este destul de periculos. Iată care sunt reacțiile care au loc în atmosferă și care duc în cele din urmă la smog:

1. Dioxidul de azot (NO2) absoarbe lumina ultravioletă și are loc formarea oxidului nitric (NO) și a oxigenului atomic (O).

NO2 + hν → NO + O

2. Ozonul (O3) este generat de reacția oxigenului gazos (O2) cu acest oxigen atomic.

O2 + O → O3

3. Ozonul astfel format reacționează apoi cu NO pentru a forma NO2 și O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. PAN este produs prin reacții ale dioxidului de azot cu diverse hidrocarburi (RH), provenite din COV:

NO2 + RH → PAN

5. Compușii organici și anorganici oxigenați (ROx) reacționează cu oxidul de azot pentru a produce mai mulți oxizi de azot:

NO + ROx → NO2 + alți produse

Aplicații ale reacțiilor fotochimice

Iată câteva aplicații industriale ale reacțiilor fotochimice:

• Pentru prepararea medicamentului anti-malarie
• Pentru producerea clorurii de benzil
• Pentru producerea diverselor molecule organice sintetice

Diferența dintre reacția fotochimică și reacția termică

Diferența dintre reacția fotochimică și reacția electrochimică

FAQ

.