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Qu’est-ce qu’une réaction photochimique ?

La photochimie est la branche de la chimie qui traite des processus chimiques provoqués par l’absorption de l’énergie lumineuse. Une réaction photochimique est une réaction chimique initiée par l’absorption d’énergie sous forme de lumière (photons), aboutissant à des produits spécifiques. Habituellement, les molécules préfèrent rester dans l’état d’énergie le plus bas, appelé état fondamental. Lorsqu’elles sont excitées par des photons, les molécules absorbent de l’énergie et passent dans un état transitoire, appelé état excité. Dans cet état, les propriétés physiques et chimiques des molécules sont entièrement différentes de celles de l’état fondamental.

Les réactions photochimiques sont pilotées par le nombre de photons qui peuvent activer les molécules pour provoquer la réaction souhaitée. Lors d’une réaction photochimique, ces molécules ont tendance à former une nouvelle structure. Elles peuvent se combiner entre elles ou avec d’autres molécules et transférer des électrons, des atomes, des protons ou d’autres énergies d’excitation à d’autres molécules, provoquant ainsi une réaction chimique en chaîne prolongée. La réaction photochimique peut avoir lieu dans un solide, un liquide et un gaz.

Les développements historiques de la photochimie ont eu lieu au début des années 1800. En 1817, le physicien allemand Theodor von Grotthus a développé une compréhension théorique du processus photochimique. Plus tard, en 1841, le chimiste américain John William Draper a étudié la réaction photochimique entre les gaz hydrogène et chlore.

Importance de la réaction photochimique

Les réactions photochimiques sont d’une grande importance pour le maintien de la vie sur Terre. Les changements chimiques qui ont lieu dans les gaz atmosphériques de la Terre sont initiés par le rayonnement solaire et modifiés par les particules en suspension. L’étude des réactions photochimiques de la haute atmosphère a largement contribué à la connaissance de l’appauvrissement de la couche d’ozone, des pluies acides et du réchauffement climatique.

Les réactions photochimiques présentent un avantage particulier par rapport aux autres types de réactions. Les réactions photochimiques nécessitent la lumière du soleil, qui est disponible en abondance. Avec le soleil comme figure centrale, l’origine de la vie elle-même a dû être un processus photochimique dans les conditions primitives de la terre, car le rayonnement du soleil était la seule source d’énergie. Des molécules gazeuses simples comme le méthane, l’ammoniac et le dioxyde de carbone ont dû réagir photochimiquement pour synthétiser des molécules organiques complexes comme les protéines et l’acide nucléique à travers les âges.

Le processus photochimique démontre une parfaite économie d’atomes, car la transformation est initiée par un photon, plutôt que par un réactif supplémentaire.

Principe de base de la réaction photochimique

Une réaction photochimique est basée sur les principes de la photochimie. Lorsque la lumière éclaire une molécule, celle-ci passe à un état excité, un processus connu sous le nom de photoexcitation. Il existe deux lois de réaction photochimique :

• Loi de Grothuss-Draper : Cette loi stipule qu’une molécule doit absorber la lumière pour qu’une réaction chimique ait lieu.
• Loi de Stark-Einstein : Cette loi stipule que pour chaque photon de lumière absorbé par une molécule, une seule molécule est activée pour une réaction ultérieure.

L’efficacité avec laquelle un processus photochimique donné se produit est donnée par un terme appelé rendement quantique. Le rendement quantique est défini comme « le nombre de moles d’un réactif donné qui disparaît, ou le nombre de moles d’un produit donné qui est produit, par mole d’un photon de lumière monochromatique absorbé ». Comme de nombreuses réactions photochimiques sont complexes et peuvent entrer en compétition avec une perte d’énergie improductive, le rendement quantique est généralement spécifié pour un événement particulier.

Types de réactions photochimiques

Voici les types de réactions photochimiques:

• Photo-dissociation : AB + hν → A* + B*
• Réarrangements photo-induits, isomérisation : A + hν → B
• Photo-addition : A + B + hν → AB
• Photo-substitution : A + BC + hν → AB + C
• Photo-réactions d’oxydoréduction : A + B + hν → A- + B+

Exemples de réaction photochimique

• Lors d’un processus de photosynthèse, le pigment chlorophylle des plantes absorbe l’énergie (hν) du soleil et l’eau (H2O) pour transformer le dioxyde de carbone (CO2) en glucose (C6H12O6) et en oxygène (O2). La photosynthèse peut également se faire en présence de lumière artificielle.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• La photographie utilise l’action de la lumière sur des grains de chlorure d’argent (AgCl) ou de bromure d’argent (AgBr) pour produire une image. Les halogénures d’argent (AgX) se décomposent en argent (Ag) et en halogène (X2). Cette réaction est un exemple de réaction de décomposition photochimique.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Les cellules solaires, qui sont utilisées pour alimenter les satellites et les véhicules spatiaux, convertissent l’énergie lumineuse du soleil en énergie chimique, puis libèrent cette énergie sous forme d’énergie électrique.
• Formation de la vitamine D par exposition de la peau au soleil
• Les composés carbonylés subissent diverses réactions photochimiques en phases gazeuse et liquide

• La formation d’ozone dans la haute atmosphère résulte de l’action de la lumière solaire sur les molécules d’oxygène.

3 O2 + hν → 2 O3

Réaction photochimique dans l’atmosphère

L’atmosphère contient certaines substances gazeuses qui modifient localement la composition chimique de l’air. D’après la théorie moléculaire cinétique des gaz, les molécules présentes dans l’atmosphère se déplacent et s’entrechoquent en permanence. Pendant la journée, les radiations solaires sont continuellement transmises à l’atmosphère. Par conséquent, les molécules présentes dans l’atmosphère absorbent l’énergie lumineuse et des réactions photochimiques se produisent. Les réactions photochimiques jouent un rôle crucial dans la détermination de la nature des espèces chimiques, y compris les espèces polluantes, dans l’atmosphère. Les réactions d’oxydation qui ont lieu dans l’atmosphère sont alimentées par l’énergie solaire.

Réactions du smog photochimique

Le smog photochimique est un mélange de polluants qui se forme lorsque les oxydes d’azote (NOx) et les composés organiques volatils (COV) réagissent à la lumière du soleil, créant une brume brune au-dessus des villes. Il s’agit d’un sous-produit de l’industrialisation moderne. Le smog photochimique peut affecter l’environnement, la santé des personnes et même divers matériaux. Des produits chimiques tels que les oxydes d’azote, l’ozone et le nitrate de peroxyacétyle (PAN) peuvent avoir des effets nocifs sur les plantes.

Les NOx et les COV sont les polluants primaires, tandis que l’ozone, les aldéhydes et le PAN sont des polluants secondaires. L’ozone présent dans l’atmosphère nous protège des rayons ultraviolets du soleil, mais, au niveau du sol, il est assez dangereux. Voici les réactions qui ont lieu dans l’atmosphère et qui mènent finalement au smog :

1. Le dioxyde d’azote (NO2) absorbe la lumière ultraviolette, et la formation d’oxyde nitrique (NO) et d’oxygène atomique (O) a lieu.

NO2 + hν → NO + O

2. L’ozone (O3) est généré par la réaction de l’oxygène (O2) gazeux avec cet oxygène atomique.

O2 + O → O3

3 L’ozone ainsi formé réagit ensuite avec le NO pour former du NO2 et de l’O2 :

NO + O3 → NO2 + O2

4 Le PAN est produit par les réactions du dioxyde d’azote avec divers hydrocarbures (RH), provenant des COV :

NO2 + RH → PAN

5. Les composés organiques et inorganiques oxygénés (ROx) réagissent avec le monoxyde d’azote pour produire davantage d’oxydes d’azote:

NO + ROx → NO2 + autres produits

Applications de la réaction photochimique

Voici quelques applications industrielles des réactions photochimiques :

• Pour la préparation du médicament anti-malaria
• Pour la production de chlorure de benzyle
• Pour la production de diverses molécules organiques synthétiques

Différence entre la réaction photochimique et la réaction thermique

Différence entre réaction photochimique et réaction électrochimique

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