Chemistry Learner

Co je to fotochemická reakce?

Fotochemie je obor chemie, který se zabývá chemickými procesy, které jsou způsobeny absorpcí světelné energie. Fotochemická reakce je chemická reakce iniciovaná absorpcí energie ve formě světla (fotonů), jejímž výsledkem jsou specifické produkty. Molekuly obvykle raději zůstávají ve stavu s nejnižší energií, známém jako základní stav. Když jsou molekuly excitovány fotony, absorbují energii a přejdou do přechodného stavu, známého jako excitovaný stav. V tomto stavu jsou fyzikální a chemické vlastnosti molekul zcela odlišné od základního stavu.

Fotochemické reakce se řídí počtem fotonů, které mohou aktivovat molekuly a způsobit požadovanou reakci. Během fotochemické reakce mají tyto molekuly tendenci vytvářet novou strukturu. Mohou se spojit mezi sebou nebo s jinými molekulami a předat elektrony, atomy, protony nebo jinou excitační energii dalším molekulám, čímž způsobí prodlouženou chemickou řetězovou reakci. Fotochemická reakce může probíhat v pevném, kapalném i plynném skupenství.

Historický vývoj fotochemie probíhal na počátku 19. století. V roce 1817 německý fyzik Theodor von Grotthus vypracoval teoretické poznatky o fotochemickém procesu. Později, v roce 1841, studoval fotochemickou reakci mezi plynným vodíkem a chlorem americký chemik John William Draper.

Význam fotochemické reakce

Fotochemické reakce mají velký význam pro podporu života na Zemi. Chemické změny probíhající v atmosférických plynech Země jsou iniciovány slunečním zářením a modifikovány suspendovanými částicemi. Studium fotochemických reakcí v horních vrstvách atmosféry významně přispělo k poznání poškozování ozonové vrstvy, kyselých dešťů a globálního oteplování.

Fotochemické reakce mají oproti jiným typům reakcí zvláštní výhodu. Fotochemické reakce vyžadují sluneční světlo, které je hojně dostupné. Vzhledem ke Slunci jako ústřední postavě musel být samotný vznik života v primitivních pozemských podmínkách fotochemickým procesem, protože sluneční záření bylo jediným zdrojem energie. Jednoduché plynné molekuly, jako je metan, amoniak a oxid uhličitý, musely v průběhu věků reagovat fotochemicky, aby se syntetizovaly složité organické molekuly, jako jsou bílkoviny a nukleové kyseliny.

Fotochemický proces vykazuje dokonalé atomové hospodářství, protože přeměna je iniciována fotonem, nikoliv dalším činidlem.

Základní princip fotochemické reakce

Fotochemická reakce je založena na principech fotochemie. Když na molekulu svítí světlo, přejde do excitovaného stavu, což je proces známý jako fotoexcitace. Existují dva zákony fotochemické reakce:

• Grothussův-Draperův zákon:
• Stark-Einsteinův zákon: Tento zákon říká, že molekula musí absorbovat světlo, aby mohla proběhnout chemická reakce:

Účinnost, s níž probíhá daný fotochemický proces, je dána termínem zvaným kvantový výtěžek. Kvantový výtěžek je definován jako „počet molů uvedeného reaktantu, který zanikne, nebo počet molů uvedeného produktu, který vznikne na jeden mol absorbovaného fotonu monochromatického světla“. Protože mnoho fotochemických reakcí je složitých a mohou si konkurovat neproduktivními ztrátami energie, kvantový výtěžek se obvykle udává pro konkrétní děj.

Typy fotochemických reakcí

Zde jsou uvedeny typy fotochemických reakcí:

• Foto-disociace: AB + hν → A* + B*
• Fotoindukované přeskupení, izomerizace: A + hν → B
• Fotoadice: A + B + hν → AB
• Fotosubstituce: A + BC + hν → AB + C
• Fotoredoxní reakce: A + B + hν → A- + B+

Příklady fotochemických reakcí

• Při fotosyntéze přijímá pigment chlorofyl v rostlinách energii (hν) ze slunce a vodu (H2O) a přeměňuje oxid uhličitý (CO2) na glukózu (C6H12O6) a kyslík (O2). Fotosyntéza může probíhat i za přítomnosti umělého světla.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Fotografie využívá působení světla na zrnka chloridu stříbrného (AgCl) nebo bromidu stříbrného (AgBr) k vytvoření obrazu. Halogenidy stříbra (AgX) se rozkládají na stříbro (Ag) a halogen (X2). Tato reakce je příkladem fotochemické rozkladné reakce.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Solární články, které se používají k napájení družic a vesmírných vozidel, přeměňují světelnou energii ze Slunce na chemickou energii a tu pak uvolňují ve formě elektrické energie.
• Tvorba vitaminu D působením slunečního záření na kůži
• Karbonylové sloučeniny podléhají různým fotochemickým reakcím v plynné i kapalné fázi

• Tvorba ozónu v horních vrstvách atmosféry vzniká působením slunečního záření na molekuly kyslíku.

3 O2 + hν → 2 O3

Fotochemická reakce v atmosféře

Amosféra obsahuje některé plynné látky, které lokálně mění chemické složení vzduchu. Z kinetické molekulové teorie plynů vyplývá, že molekuly přítomné v atmosféře se neustále pohybují a srážejí se. V denní době se do atmosféry nepřetržitě dostává sluneční záření. V důsledku toho molekuly přítomné v atmosféře absorbují světelnou energii a dochází k fotochemickým reakcím. Fotochemické reakce hrají klíčovou roli při určování povahy chemických druhů, včetně druhů znečišťujících látek, v atmosféře. Oxidační reakce probíhající v atmosféře jsou poháněny sluneční energií.

Fotochemické smogové reakce

Fotochemický smog je směs znečišťujících látek, která vzniká reakcí oxidů dusíku (NOx) a těkavých organických látek (VOC) na sluneční světlo a vytváří nad městy hnědou mlhu. Jedná se o vedlejší produkt moderní industrializace. Fotochemický smog může ovlivňovat životní prostředí, zdraví lidí a dokonce i různé materiály. Chemické látky, jako jsou oxidy dusíku, ozón a peroxyacetylnitrát (PAN), mohou mít škodlivé účinky na rostliny.

NOx a VOC jsou primárními znečišťujícími látkami, zatímco ozón, aldehydy a PAN jsou sekundárními znečišťujícími látkami. Ozon v atmosféře nás chrání před ultrafialovým slunečním zářením, ale při zemi je poměrně nebezpečný. Zde jsou reakce, které probíhají v atmosféře a nakonec vedou ke vzniku smogu:

1. Oxid dusičitý (NO2) absorbuje ultrafialové záření a dochází ke vzniku oxidu dusnatého (NO) a atomárního kyslíku (O)

NO2 + hν → NO + O

2. Ozon (O3) vzniká reakcí plynného kyslíku (O2) s tímto atomárním kyslíkem.

O2 + O → O3

3. Takto vzniklý ozón pak reaguje s NO za vzniku NO2 a O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. PAN vzniká reakcí oxidu dusičitého s různými uhlovodíky (RH), pocházejícími z těkavých organických látek:

NO2 + RH → PAN

5. PAN vzniká reakcí oxidu dusičitého s různými uhlovodíky (RH). Okysličené organické a anorganické sloučeniny (ROx) reagují s oxidem dusnatým za vzniku dalších oxidů dusíku:

NO + ROx → NO2 + další produkty

Použití fotochemických reakcí

Zde jsou uvedeny některé průmyslové aplikace fotochemických reakcí:

• Pro přípravu léku proti malárii
• Pro výrobu benzylchloridu
• Pro výrobu různých syntetických organických molekul

Rozdíl mezi fotochemickou reakcí a tepelnou reakcí

Rozdíl mezi fotochemickou reakcí a elektrochemickou reakcí

FAQ

.