Chemistry Learner

What is a Photochemical Reaction?

Fotokemia on kemian osa-alue, joka käsittelee kemiallisia prosesseja, jotka aiheutuvat valoenergian absorboitumisesta. Fotokemiallinen reaktio on kemiallinen reaktio, joka käynnistyy valon (fotonien) muodossa olevan energian absorption seurauksena ja johtaa tiettyihin tuotteisiin. Yleensä molekyylit pysyvät mieluummin matalimman energian tilassa, jota kutsutaan perustilaksi. Kun fotonit kiihottavat niitä, molekyylit absorboivat energiaa ja siirtyvät väliaikaiseen tilaan, jota kutsutaan kiihdytetyksi tilaksi. Tässä tilassa molekyylien fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ovat täysin erilaiset kuin perustilassa.

Fotokemiallisia reaktioita ohjaa niiden fotonien määrä, jotka voivat aktivoida molekyylejä halutun reaktion aikaansaamiseksi. Fotokemiallisen reaktion aikana nämä molekyylit pyrkivät muodostamaan uuden rakenteen. Ne voivat yhdistyä toisiinsa tai muihin molekyyleihin ja siirtää elektroneja, atomeja, protoneja tai muuta kiihdytysenergiaa muille molekyyleille aiheuttaen näin pitkittyneen kemiallisen ketjureaktion. Fotokemiallinen reaktio voi tapahtua kiinteässä, nestemäisessä ja kaasussa.

Fotokemian historiallinen kehitys tapahtui 1800-luvun alussa. Vuonna 1817 saksalainen fyysikko Theodor von Grotthus kehitti teoreettisen käsityksen valokemiallisesta prosessista. Myöhemmin vuonna 1841 amerikkalainen kemisti John William Draper tutki vety- ja kloorikaasujen välistä fotokemiallista reaktiota.

Fotokemiallisten reaktioiden merkitys

Fotokemiallisilla reaktioilla on suuri merkitys elämän ylläpitämiselle maapallolla. Maapallon ilmakehän kaasuissa tapahtuvat kemialliset muutokset saavat alkunsa Auringon säteilystä ja muuttuvat leijuvien hiukkasten vaikutuksesta. Yläilmakehän fotokemiallisten reaktioiden tutkiminen on edistänyt merkittävästi tietämystä otsonikerroksen köyhtymisestä, happamista sateista ja ilmaston lämpenemisestä.

Fotokemiallisilla reaktioilla on erityinen etu muihin reaktiotyyppeihin verrattuna. Fotokemialliset reaktiot edellyttävät auringonvaloa, jota on runsaasti saatavilla. Auringon ollessa keskeinen hahmo itse elämän synnyn on täytynyt olla fotokemiallinen prosessi maapallon alkuolosuhteissa, koska auringon säteily oli ainoa energianlähde. Yksinkertaisten kaasumaisten molekyylien, kuten metaanin, ammoniakin ja hiilidioksidin, on täytynyt reagoida fotokemiallisesti syntetisoidakseen monimutkaisia orgaanisia molekyylejä, kuten proteiineja ja nukleiinihappoja, kautta aikojen.

Fotokemiallinen prosessi osoittaa täydellistä atomien taloutta, sillä transformaatio käynnistyy pikemminkin fotonista kuin ylimääräisestä reagenssista.

Fotokemiallista reaktiota koskeva perusperiaate

Fotokemiallista reaktiota koskeva fotonireaktio

Fotokemiallinen reaktio perustuu fotokemian periaatteille. Kun molekyyliin osuu valoa, se siirtyy kiihottuneeseen tilaan, prosessia kutsutaan fotoärsytykseksi. Fotokemialliselle reaktiolle on kaksi lakia:

• Grothuss-Draperin laki: Tämän lain mukaan molekyylin on absorboitava valoa, jotta kemiallinen reaktio voi tapahtua.
• Stark-Einsteinin laki:

Tehokkuus, jolla tietty fotokemiallinen prosessi tapahtuu, ilmoitetaan termillä, jota kutsutaan kvanttituotoksi. Kvanttituotto määritellään seuraavasti: ”määrätyn reagoivan aineen häviävien moolien lukumäärä tai määrätyn tuotteen syntyvien moolien lukumäärä absorboitua yksivärisen valon fotonia kohti”. Koska monet fotokemialliset reaktiot ovat monimutkaisia ja voivat kilpailla tuottamattomien energiahäviöiden kanssa, kvanttituotto määritetään yleensä tietylle tapahtumalle.

Fotokemiallisten reaktioiden tyypit

Näissä on lueteltu fotokemiallisten reaktioiden tyyppejä:

• Fotodissosiaatio: AB + hν → A* + B*
• Fotoindusoidut uudelleenjärjestelyt, isomerisaatio: A + hν → B
• Foto-additio: A + B + hν → AB
• Fotosubstituutio: A + BC + hν → AB + C
• Foto-redox-reaktiot: A + B + hν → A- + B+

Esimerkkejä valokemiallisista reaktioista

• Fotosynteesin aikana kasvien klorofylli-pigmentti ottaa vastaan auringon energiaa (hν) ja vettä (H2O) muuttaakseen hiilidioksidia (CO2) glukoosiksi (C6H12O6) ja hapeksi (O2). Fotosynteesi voi tapahtua myös keinovalossa.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Fotografia käyttää valon vaikutusta hopeakloridin (AgCl) tai hopeabromidin (AgBr) rakeisiin kuvan tuottamiseksi. Hopeahalogenidit (AgX) hajoavat hopeaksi (Ag) ja halogeeniksi (X2). Tämä reaktio on esimerkki valokemiallisesta hajoamisreaktiosta.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Aurinkokennot, joita käytetään satelliittien ja avaruusajoneuvojen voimanlähteenä, muuntavat auringosta saatavan valoenergian kemialliseksi energiaksi ja vapauttavat tämän energian sähköenergiana.
• D-vitamiinin muodostuminen altistamalla iho auringonvalolle
• Karbonyyliyhdisteet käyvät läpi erilaisia fotokemiallisia reaktioita sekä kaasu- että nestefaasissa

• Ozonin muodostuminen ylemmässä atmosfäärissä on seurausta auringonvalon vaikutuksesta happea sisältäviin molekyyleihin.

3 O2 + hν → 2 O3

Fotokemiallinen reaktio ilmakehässä

Atmosfäärissä on joitain kaasumaisia aineita, jotka muuttavat paikallisesti ilman kemiallista koostumusta. Kaasujen kineettisen molekyyliteorian perusteella ilmakehässä olevat molekyylit liikkuvat ja törmäävät toisiinsa jatkuvasti. Päiväsaikaan ilmakehään kohdistuu jatkuvasti auringon säteilyä. Tämän seurauksena ilmakehässä olevat molekyylit absorboivat valoenergiaa, ja tapahtuu valokemiallisia reaktioita. Valokemialliset reaktiot ovat ratkaisevassa asemassa määriteltäessä ilmakehän kemiallisten lajien, myös epäpuhtauksien, luonnetta. Ilmakehässä tapahtuvia hapetusreaktioita ohjaa aurinkoenergia.

Fotokemiallisen savusumun reaktiot

Fotokemiallinen savusumu on epäpuhtauksien seos, joka muodostuu, kun typen oksidit (NOx) ja haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC-yhdisteet) reagoivat auringonvalon kanssa muodostaen ruskean usvan kaupunkien yläpuolelle. Se on nykyaikaisen teollistumisen sivutuote. Fotokemiallinen savusumu voi vaikuttaa ympäristöön, ihmisten terveyteen ja jopa erilaisiin materiaaleihin. Kemikaaleilla, kuten typen oksideilla, otsonilla ja peroksiasetyylinitraatilla (PAN), voi olla haitallisia vaikutuksia kasveihin.

NOx ja VOC-yhdisteet ovat ensisijaisia epäpuhtauksia, kun taas otsoni, aldehydit ja PAN ovat toissijaisia epäpuhtauksia. Ilmakehän otsoni suojaa meitä auringon ultraviolettisäteiltä, mutta maanpinnan tasolla se on varsin vaarallista. Seuraavassa on lueteltu ilmakehässä tapahtuvat reaktiot, jotka lopulta johtavat savusumuun:

1. Typpidioksidi (NO2) absorboi ultraviolettivaloa, jolloin muodostuu typpioksidia (NO) ja atomaarista happea (O).

NO2 + hν → NO + O

2. Otsonia (O3) syntyy happikaasun (O2) reagoidessa tämän atomaarisen hapen kanssa.

O2 + O → O3

3. Näin muodostunut otsoni reagoi sitten NO:n kanssa muodostaen NO2:ta ja O2:ta:

NO + O3 → NO2 + O2

4. PAN syntyy typpidioksidin ja erilaisten hiilivetyjen (RH) välisissä reaktioissa, jotka ovat peräisin VOC-yhdisteiden sisältämistä aineista:

NO2 + RH → PAN

5. Hapettuneet orgaaniset ja epäorgaaniset yhdisteet (ROx) reagoivat typpioksidin kanssa tuottaen lisää typen oksideja:

NO + ROx → NO2 + muut tuotteet

Fotokemiallisten reaktioiden sovellukset

Tässä on joitakin valokemiallisten reaktioiden teollisia sovelluksia:

• Malarialääkkeen valmistukseen
• Bentsyylikloridin valmistukseen
• Erilaisten synteettisten orgaanisten molekyylien valmistukseen

Fotokemiallisten reaktioiden ja termisten reaktioiden ero

Fotokemiallisen reaktion ja sähkökemiallisen reaktion ero

FAQ