Chemie-Lernende

Was ist eine photochemische Reaktion?

Die Photochemie ist das Teilgebiet der Chemie, das sich mit den chemischen Prozessen beschäftigt, die durch die Absorption von Lichtenergie ausgelöst werden. Eine photochemische Reaktion ist eine chemische Reaktion, die durch die Absorption von Energie in Form von Licht (Photonen) ausgelöst wird und zu bestimmten Produkten führt. Normalerweise ziehen es die Moleküle vor, im Zustand niedrigster Energie, dem so genannten Grundzustand, zu bleiben. Wenn sie durch Photonen angeregt werden, absorbieren die Moleküle Energie und gehen in einen Übergangszustand über, den so genannten angeregten Zustand. In diesem Zustand unterscheiden sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Moleküle völlig von denen des Grundzustands.

Photochemische Reaktionen werden durch die Anzahl der Photonen angetrieben, die Moleküle aktivieren können, um die gewünschte Reaktion auszulösen. Während einer photochemischen Reaktion neigen diese Moleküle dazu, eine neue Struktur zu bilden. Sie können sich miteinander oder mit anderen Molekülen verbinden und Elektronen, Atome, Protonen oder andere Anregungsenergie auf andere Moleküle übertragen und so eine anhaltende chemische Kettenreaktion auslösen. Die photochemische Reaktion kann in festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen ablaufen.

Historische Entwicklungen in der Photochemie fanden in den frühen 1800er Jahren statt. Im Jahr 1817 entwickelte der deutsche Physiker Theodor von Grotthus ein theoretisches Verständnis des photochemischen Prozesses. Später, im Jahr 1841, untersuchte der amerikanische Chemiker John William Draper die photochemische Reaktion zwischen Wasserstoff- und Chlorgas.

Bedeutung der photochemischen Reaktion

Photochemische Reaktionen sind von großer Bedeutung für das Leben auf der Erde. Die chemischen Veränderungen, die in den atmosphärischen Gasen der Erde stattfinden, werden durch die Sonnenstrahlung ausgelöst und durch die Schwebeteilchen verändert. Das Studium der photochemischen Reaktionen in der oberen Atmosphäre hat wesentlich zum Wissen über den Abbau der Ozonschicht, den sauren Regen und die globale Erwärmung beigetragen.

Photochemische Reaktionen haben einen besonderen Vorteil gegenüber anderen Reaktionstypen. Photochemische Reaktionen benötigen Sonnenlicht, das im Überfluss vorhanden ist. Mit der Sonne als zentraler Figur muss die Entstehung des Lebens selbst unter den primitiven Bedingungen der Erde ein photochemischer Prozess gewesen sein, da die Strahlung der Sonne die einzige Energiequelle war. Einfache gasförmige Moleküle wie Methan, Ammoniak und Kohlendioxid müssen photochemisch reagiert haben, um im Laufe der Zeit komplexe organische Moleküle wie Proteine und Nukleinsäure zu synthetisieren.

Der photochemische Prozess zeigt eine perfekte Atomökonomie, da die Umwandlung durch ein Photon und nicht durch ein zusätzliches Reagenz ausgelöst wird.

Grundprinzip der photochemischen Reaktion

Eine photochemische Reaktion basiert auf den Prinzipien der Photochemie. Wenn ein Molekül mit Licht bestrahlt wird, geht es in einen angeregten Zustand über, ein Prozess, der als Photoanregung bekannt ist. Es gibt zwei Gesetze der photochemischen Reaktion:

• Grothuss-Draper-Gesetz: Dieses Gesetz besagt, dass ein Molekül Licht absorbieren muss, damit eine chemische Reaktion stattfinden kann.
• Stark-Einstein-Gesetz: Dieses Gesetz besagt, dass für jedes Lichtphoton, das von einem Molekül absorbiert wird, nur ein Molekül für eine nachfolgende Reaktion aktiviert wird.

Die Effizienz, mit der ein bestimmter photochemischer Prozess abläuft, wird durch einen Begriff namens Quantenausbeute angegeben. Die Quantenausbeute ist definiert als „die Anzahl der Mole eines bestimmten Reaktanten, die pro Mol eines absorbierten Photons monochromatischen Lichts verschwinden, oder die Anzahl der Mole eines bestimmten Produkts, das erzeugt wird.“ Da viele photochemische Reaktionen komplex sind und mit unproduktiven Energieverlusten konkurrieren können, wird die Quantenausbeute in der Regel für ein bestimmtes Ereignis angegeben.

Typen photochemischer Reaktionen

Hier sind die Typen photochemischer Reaktionen:

• Photo-Dissoziation: AB + hν → A* + B*
• Photo-induzierte Umlagerungen, Isomerisierungen: A + hν → B
• Fotoaddition: A + B + hν → AB
• Fotosubstitution: A + BC + hν → AB + C
• Foto-Redox-Reaktionen: A + B + hν → A- + B+

Beispiele für photochemische Reaktionen

• Bei der Photosynthese nimmt das Pigment Chlorophyll in Pflanzen die Energie (hν) der Sonne und Wasser (H2O) auf, um Kohlendioxid (CO2) in Glucose (C6H12O6) und Sauerstoff (O2) umzuwandeln. Die Photosynthese kann auch in Gegenwart von künstlichem Licht durchgeführt werden.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Die Photographie nutzt die Einwirkung von Licht auf Silberchlorid- (AgCl) oder Silberbromidkörner (AgBr), um ein Bild zu erzeugen. Silberhalogenide (AgX) zersetzen sich in Silber (Ag) und Halogen (X2). Diese Reaktion ist ein Beispiel für eine photochemische Zersetzungsreaktion.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Solarzellen, die zum Antrieb von Satelliten und Raumfahrzeugen verwendet werden, wandeln Lichtenergie von der Sonne in chemische Energie um und geben diese Energie dann in Form von elektrischer Energie ab.
• Bildung von Vitamin D durch Sonneneinstrahlung auf die Haut
• Carbonylverbindungen durchlaufen verschiedene photochemische Reaktionen sowohl in der Gas- als auch in der Flüssigphase

• Ozonbildung in der oberen Atmosphäre entsteht durch die Einwirkung von Sonnenlicht auf Sauerstoffmoleküle.

3 O2 + hν → 2 O3

Photochemische Reaktion in der Atmosphäre

Die Atmosphäre enthält einige gasförmige Stoffe, die die chemische Zusammensetzung der Luft lokal verändern. Nach der kinetischen Molekulartheorie der Gase sind die in der Atmosphäre vorhandenen Moleküle ständig in Bewegung und stoßen zusammen. Tagsüber wird die Atmosphäre ständig mit Sonnenstrahlen bestrahlt. Infolgedessen absorbieren die Moleküle in der Atmosphäre die Lichtenergie, und es kommt zu photochemischen Reaktionen. Photochemische Reaktionen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Beschaffenheit der chemischen Spezies, einschließlich der Schadstoffspezies, in der Atmosphäre. Die in der Atmosphäre stattfindenden Oxidationsreaktionen werden durch die Sonnenenergie angetrieben.

Photochemische Smogreaktionen

Photochemischer Smog ist ein Gemisch von Schadstoffen, das entsteht, wenn Stickoxide (NOx) und flüchtige organische Verbindungen (VOC) mit Sonnenlicht reagieren und einen braunen Dunst über den Städten erzeugen. Er ist ein Nebenprodukt der modernen Industrialisierung. Photochemischer Smog kann die Umwelt, die Gesundheit der Menschen und sogar verschiedene Materialien beeinträchtigen. Chemikalien wie Stickoxide, Ozon und Peroxyacetylnitrat (PAN) können schädliche Auswirkungen auf Pflanzen haben.

NOx und VOC sind die primären Schadstoffe, während Ozon, Aldehyde und PAN sekundäre Schadstoffe sind. Das Ozon in der Atmosphäre schützt uns vor den ultravioletten Strahlen der Sonne, aber am Boden ist es sehr gefährlich. In der Atmosphäre laufen folgende Reaktionen ab, die letztlich zu Smog führen:

1. Stickstoffdioxid (NO2) absorbiert ultraviolettes Licht, und es kommt zur Bildung von Stickstoffoxid (NO) und atomarem Sauerstoff (O).

NO2 + hν → NO + O

2. Ozon (O3) entsteht durch die Reaktion von Sauerstoff (O2) mit diesem atomaren Sauerstoff.

O2 + O → O3

3. Das so gebildete Ozon reagiert dann mit NO zu NO2 und O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. PAN entsteht durch die Reaktion von Stickstoffdioxid mit verschiedenen Kohlenwasserstoffen (RH), die aus flüchtigen organischen Verbindungen stammen:

NO2 + RH → PAN

5. Sauerstoffhaltige organische und anorganische Verbindungen (ROx) reagieren mit Stickstoffoxid, um weitere Stickstoffoxide zu erzeugen:

NO + ROx → NO2 + andere Produkte

Anwendungen photochemischer Reaktionen

Hier sind einige industrielle Anwendungen photochemischer Reaktionen:

• Für die Herstellung von Anti-Malaria-Medikamenten
• Für die Herstellung von Benzylchlorid
• Für die Herstellung verschiedener synthetischer organischer Moleküle

Unterschied zwischen photochemischer Reaktion und thermischer Reaktion

Unterschied zwischen photochemischer Reaktion und elektrochemischer Reaktion

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