Aprendizaje de la Química

¿Qué es una reacción fotoquímica?

La fotoquímica es la rama de la química que se ocupa de los procesos químicos que son causados por la absorción de energía luminosa. Una reacción fotoquímica es una reacción química iniciada por la absorción de energía en forma de luz (fotones), que da lugar a productos específicos. Por lo general, las moléculas prefieren permanecer en el estado de menor energía, conocido como estado básico. Cuando son excitadas por los fotones, las moléculas absorben energía y pasan a un estado transitorio, conocido como estado excitado. En este estado, las propiedades físicas y químicas de las moléculas son totalmente diferentes a las del estado básico.

Las reacciones fotoquímicas son impulsadas por el número de fotones que pueden activar las moléculas para provocar la reacción deseada. Durante una reacción fotoquímica, estas moléculas tienden a formar una nueva estructura. Pueden combinarse entre sí o con otras moléculas y transferir electrones, átomos, protones u otra energía de excitación a otras moléculas, provocando así una prolongada reacción química en cadena. La reacción fotoquímica puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases.

Los desarrollos históricos de la fotoquímica tuvieron lugar a principios de 1800. En 1817, el físico alemán Theodor von Grotthus desarrolló una comprensión teórica del proceso fotoquímico. Más tarde, en 1841, el químico estadounidense John William Draper estudió la reacción fotoquímica entre los gases hidrógeno y cloro.

Importancia de la reacción fotoquímica

Las reacciones fotoquímicas son de gran importancia para el mantenimiento de la vida en la Tierra. Los cambios químicos que tienen lugar en los gases atmosféricos de la Tierra son iniciados por la radiación solar y modificados por las partículas en suspensión. El estudio de las reacciones fotoquímicas de la atmósfera superior ha contribuido significativamente al conocimiento de la disminución de la capa de ozono, la lluvia ácida y el calentamiento global.

Las reacciones fotoquímicas tienen una ventaja particular sobre otros tipos de reacciones. Las reacciones fotoquímicas requieren luz solar, que está disponible en abundancia. Con el sol como figura central, el origen de la vida misma debe haber sido un proceso fotoquímico en las condiciones terrestres primitivas, ya que la radiación del sol era la única fuente de energía. Las moléculas gaseosas simples como el metano, el amoníaco y el dióxido de carbono deben haber reaccionado fotoquímicamente para sintetizar moléculas orgánicas complejas como las proteínas y el ácido nucleico a través de las edades.

El proceso fotoquímico demuestra una perfecta economía de átomos, ya que la transformación es iniciada por un fotón, en lugar de un reactivo extra.

Principio básico de la reacción fotoquímica

Una reacción fotoquímica se basa en los principios de la fotoquímica. Cuando la luz incide sobre una molécula, ésta pasa a un estado de excitación, proceso conocido como fotoexcitación. Existen dos leyes de la reacción fotoquímica:

• Ley de Grothuss-Draper: Esta ley establece que una molécula debe absorber luz para que se produzca una reacción química.
• Ley de Stark-Einstein: Esta ley establece que por cada fotón de luz absorbido por una molécula, sólo se activa una molécula para una reacción posterior.

La eficiencia con la que se produce un determinado proceso fotoquímico viene dada por un término llamado rendimiento cuántico. El rendimiento cuántico se define como «el número de moles de un reactivo declarado que desaparece, o el número de moles de un producto declarado que se produce, por mol de un fotón de luz monocromática absorbido.» Dado que muchas reacciones fotoquímicas son complejas y pueden competir con la pérdida de energía improductiva, el rendimiento cuántico se suele especificar para un evento concreto.

Tipos de reacción fotoquímica

Aquí están los tipos de reacciones fotoquímicas:

• Fotodisociación: AB + hν → A* + B*
• Reordenamientos fotoinducidos, isomerización: A + hν → B
• Fotoadición: A + B + hν → AB
• Foto-sustitución: A + BC + hν → AB + C
• Reacciones foto-redox: A + B + hν → A- + B+

Ejemplos de reacción fotoquímica

• Durante un proceso de fotosíntesis, el pigmento clorofila de las plantas toma la energía (hν) del sol y el agua (H2O) para convertir el dióxido de carbono (CO2) en glucosa (C6H12O6) y oxígeno (O2). La fotosíntesis también puede realizarse en presencia de luz artificial.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• La fotografía utiliza la acción de la luz sobre granos de cloruro de plata (AgCl) o de bromuro de plata (AgBr) para producir una imagen. Los haluros de plata (AgX) se descomponen en plata (Ag) y halógeno (X2). Esta reacción es un ejemplo de reacción de descomposición fotoquímica.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Las células solares, que se utilizan para alimentar satélites y vehículos espaciales, convierten la energía luminosa del sol en energía química y luego liberan esa energía en forma de energía eléctrica.
• Formación de vitamina D por exposición de la piel a la luz solar
• Los compuestos carbonílicos sufren varias reacciones fotoquímicas tanto en fase gaseosa como líquida

• La formación de ozono en la atmósfera superior es el resultado de la acción de la luz solar sobre las moléculas de oxígeno.

3 O2 + hν → 2 O3

Reacción fotoquímica en la atmósfera

La atmósfera contiene algunas sustancias gaseosas que alteran localmente la composición química del aire. Según la teoría cinética molecular de los gases, las moléculas presentes en la atmósfera se mueven y chocan entre sí continuamente. Durante el día, las radiaciones solares llegan continuamente a la atmósfera. Como resultado, las moléculas presentes en la atmósfera absorben la energía de la luz y se producen reacciones fotoquímicas. Las reacciones fotoquímicas desempeñan un papel crucial en la determinación de la naturaleza de las especies químicas, incluidas las especies contaminantes, en la atmósfera. Las reacciones de oxidación que tienen lugar en la atmósfera son impulsadas por la energía solar.

Reacciones de smog fotoquímico

El smog fotoquímico es una mezcla de contaminantes que se forma cuando los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles (COV) reaccionan con la luz solar, creando una neblina marrón sobre las ciudades. Es un subproducto de la industrialización moderna. El smog fotoquímico puede afectar al medio ambiente, a la salud de las personas e incluso a diversos materiales. Sustancias químicas como los óxidos de nitrógeno, el ozono y el nitrato de peroxietilo (PAN) pueden tener efectos nocivos para las plantas.

Los óxidos de nitrógeno y los compuestos orgánicos volátiles son los contaminantes primarios, mientras que el ozono, los aldehídos y el PAN son contaminantes secundarios. El ozono en la atmósfera nos protege de los rayos ultravioleta del sol, pero, a nivel del suelo, es bastante peligroso. Estas son las reacciones que tienen lugar en la atmósfera y que, en última instancia, dan lugar al smog:

1. El dióxido de nitrógeno (NO2) absorbe la luz ultravioleta y se produce la formación de óxido nítrico (NO) y oxígeno atómico (O).

NO2 + hν → NO + O

2. El ozono (O3) se genera por la reacción del gas oxígeno (O2) con este oxígeno atómico.

O2 + O → O3

3. El ozono así formado reacciona luego con el NO para formar NO2 y O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. El PAN se produce por reacciones del dióxido de nitrógeno con diversos hidrocarburos (RH), procedentes de los COV:

NO2 + RH → PAN

5. Los compuestos orgánicos e inorgánicos oxigenados (ROx) reaccionan con el óxido nítrico para producir más óxidos de nitrógeno:

NO + ROx → NO2 + otros productos

Aplicaciones de las reacciones fotoquímicas

Aquí tienes algunas aplicaciones industriales de las reacciones fotoquímicas:

• Para la preparación de fármacos contra la malaria
• Para la producción de cloruro de bencilo
• Para la producción de diversas moléculas orgánicas sintéticas

Diferencia entre reacción fotoquímica y reacción térmica

Diferencia entre reacción fotoquímica y reacción electroquímica

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