Chemistry Learner

Hvad er en fotokemisk reaktion?

Potokemi er den gren af kemien, der beskæftiger sig med de kemiske processer, der skyldes absorption af lysenergi. En fotokemisk reaktion er en kemisk reaktion, der indledes ved absorption af energi i form af lys (fotoner), og som resulterer i bestemte produkter. Molekyler foretrækker normalt at forblive i den tilstand med laveste energi, den såkaldte grundtilstand. Når de bliver exciteret af fotoner, absorberer molekylerne energi og går over i en forbigående tilstand, der kaldes den exciterede tilstand. I denne tilstand er molekylernes fysiske og kemiske egenskaber helt anderledes end i grundtilstanden.

Fotokemiske reaktioner er styret af antallet af fotoner, der kan aktivere molekyler for at forårsage den ønskede reaktion. Under en fotokemisk reaktion har disse molekyler en tendens til at danne en ny struktur. De kan kombinere sig med hinanden eller med andre molekyler og overføre elektroner, atomer, protoner eller anden excitationsenergi til andre molekyler og derved forårsage en langvarig kemisk kædereaktion. Den fotokemiske reaktion kan finde sted i fast stof, væske og gas.

Den historiske udvikling inden for fotokemi fandt sted i begyndelsen af 1800-tallet. I 1817 udviklede den tyske fysiker Theodor von Grotthus en teoretisk forståelse af den fotokemiske proces. Senere, i 1841, studerede den amerikanske kemiker John William Draper den fotokemiske reaktion mellem brint- og klorgas.

Vigtig betydning af fotokemiske reaktioner

Fotokemiske reaktioner er af stor betydning for opretholdelsen af liv på Jorden. De kemiske forandringer, der finder sted i Jordens atmosfæriske gasser, iværksættes af solstråling og ændres af de suspenderede partikler. Undersøgelsen af fotokemiske reaktioner i den øvre atmosfære har bidraget væsentligt til viden om nedbrydning af ozonlaget, sur regn og global opvarmning.

Potokemiske reaktioner har en særlig fordel i forhold til andre typer reaktioner. Fotokemiske reaktioner kræver sollys, som er rigeligt tilgængeligt. Med solen som central figur må selve livets oprindelse have været en fotokemisk proces under de primitive jordiske forhold, da stråling fra solen var den eneste energikilde. Simple gasformige molekyler som metan, ammoniak og kuldioxid må have reageret fotokemisk for at syntetisere komplekse organiske molekyler som proteiner og nukleinsyre gennem tiderne.

Den fotokemiske proces demonstrerer perfekt atomøkonomi, da omdannelsen initieres af en foton og ikke af et ekstra reagens.

Grundlæggende princip for fotokemisk reaktion

En fotokemisk reaktion er baseret på de fotokemiske principper. Når lys skinner på et molekyle, går det over i en exciteret tilstand, en proces, der er kendt som fotoekcitation. Der findes to love for fotokemiske reaktioner:

• Grothuss-Draper-loven: Denne lov siger, at et molekyle skal absorbere lys, for at en kemisk reaktion kan finde sted.
• Stark-Einstein-loven: Denne lov siger, at et molekyle skal absorbere lys, for at en kemisk reaktion kan finde sted: Denne lov fastslår, at for hver foton lys, der absorberes af et molekyle, aktiveres kun ét molekyle til en efterfølgende reaktion.

Den effektivitet, hvormed en given fotokemisk proces finder sted, er givet ved et udtryk kaldet kvanteudbytte. Kvanteudbyttet er defineret som “antallet af mol af en angivet reaktant, der forsvinder, eller antallet af mol af et angivet produkt, der produceres, pr. mol af en foton monokromatisk lys, der absorberes”. Da mange fotokemiske reaktioner er komplekse og kan konkurrere med uproduktivt energitab, er kvanteudbyttet normalt specificeret for en bestemt hændelse.

Typer af fotokemiske reaktioner

Her er typerne af fotokemiske reaktioner:

• Foto-dissociation: AB + hν → A* + B*
• Fotoinducerede omlejringer, isomerisering: A + hν → B
• Fotoaddition: A + hν → B
• Fotoaddition: A + B + hν → AB
• Fotosubstitution: A + B + hν → AB
• Fotosubstitution: A + BC + hν → AB + C
• Fotosubstituering: A + BC + hν → AB + C
• Foto-redoxreaktioner: A + B + hν → A- + B+

Eksempler på fotokemiske reaktioner

• Under en fotosynteseproces optager pigmentet klorofyl i planter energi (hν) fra solen og vand (H2O) for at omdanne kuldioxid (CO2) til glukose (C6H12O6) og ilt (O2). Fotosyntesen kan også foregå ved tilstedeværelse af kunstigt lys.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Fotografi anvender lysets virkning på korn af sølvklorid (AgCl) eller sølvbromid (AgBr) til at frembringe et billede. Sølvhalogenider (AgX) nedbrydes til sølv (Ag) og halogen (X2). Denne reaktion er et eksempel på en fotokemisk nedbrydningsreaktion.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Solceller, som bruges til at drive satellitter og rumfartøjer, omdanner lysenergi fra solen til kemisk energi og afgiver derefter denne energi i form af elektrisk energi.
• Bildning af D-vitamin ved eksponering af huden for sollys
• Carbonylforbindelser gennemgår forskellige fotokemiske reaktioner i både gas- og væskefasen

• Ozondannelse i den øvre atmosfære skyldes sollysets påvirkning af iltmolekyler.

3 O2 + hν → 2 O3

Fotokemisk reaktion i atmosfæren

Atmosfæren indeholder nogle gasformige stoffer, som lokalt ændrer luftens kemiske sammensætning. Ud fra den kinetiske molekyleteori om gasser bevæger og kolliderer de molekyler, der findes i atmosfæren, hele tiden sammen. I dagtimerne tilføres atmosfæren kontinuerligt solstråler til atmosfæren. Som følge heraf absorberer de molekyler, der findes i atmosfæren, lysenergien, og der opstår fotokemiske reaktioner. Fotokemiske reaktioner spiller en afgørende rolle ved bestemmelsen af arten af kemiske arter, herunder forurenende arter, i atmosfæren. De oxidationsreaktioner, der finder sted i atmosfæren, drives af solenergi.

Fotokemiske smogreaktioner

Fotokemisk smog er en blanding af forurenende stoffer, der dannes, når nitrogenoxider (NOx) og flygtige organiske forbindelser (VOC) reagerer med sollyset og skaber en brun tåge over byerne. Det er et biprodukt af den moderne industrialisering. Fotokemisk smog kan påvirke miljøet, menneskers sundhed og endda forskellige materialer. Kemikalier som nitrogenoxider, ozon og peroxyacetylnitrat (PAN) kan have skadelige virkninger på planter.

NOx og VOC’er er de primære forurenende stoffer, mens ozon, aldehyder og PAN er sekundære forurenende stoffer. Ozon i atmosfæren beskytter os mod solens ultraviolette stråler, men i jordoverfladen er det ganske farligt. Her er de reaktioner, der finder sted i atmosfæren, og som i sidste ende fører til smog:

1. Nitrogendioxid (NO2) absorberer ultraviolet lys, og der dannes nitrogenoxid (NO) og atomar ilt (O).

NO2 + hν → NO + O

2. Ozon (O3) dannes ved oxygen (O2)-gassens reaktion med denne atomare ilt.

O2 + O → O3

3. Den således dannede ozon reagerer derefter med NO for at danne NO2 og O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. PAN dannes ved reaktioner mellem nitrogendioxid og forskellige kulbrinter (RH), der stammer fra VOC’er:

NO2 + RH → PAN

5. Oxygenerede organiske og uorganiske forbindelser (ROx) reagerer med nitrogenoxid for at producere flere nitrogenoxider:

NO + ROx → NO2 + andre produkter

Anvendelser af fotokemiske reaktioner

Her er nogle industrielle anvendelser af fotokemiske reaktioner:

• Til fremstilling af anti-malariamedicin
• Til fremstilling af benzylchlorid
• Til fremstilling af forskellige syntetiske organiske molekyler

Forskel mellem fotokemisk reaktion og termisk reaktion