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Che cos’è una reazione fotochimica?

La fotochimica è il ramo della chimica che si occupa dei processi chimici che sono causati dall’assorbimento dell’energia luminosa. Una reazione fotochimica è una reazione chimica iniziata dall’assorbimento di energia sotto forma di luce (fotoni), che dà luogo a prodotti specifici. Di solito, le molecole preferiscono rimanere nello stato di più bassa energia, noto come stato di terra. Quando sono eccitate dai fotoni, le molecole assorbono energia e vanno in uno stato transitorio, noto come stato eccitato. In questo stato, le proprietà fisiche e chimiche delle molecole sono completamente diverse da quelle dello stato di terra.

Le reazioni fotochimiche sono guidate dal numero di fotoni che possono attivare le molecole per causare la reazione desiderata. Durante una reazione fotochimica, queste molecole tendono a formare una nuova struttura. Potrebbero combinarsi tra loro o con altre molecole e trasferire elettroni, atomi, protoni o altra energia di eccitazione ad altre molecole, causando così una reazione chimica a catena prolungata. La reazione fotochimica può avvenire nel solido, nel liquido e nel gas.

Gli sviluppi storici della fotochimica ebbero luogo nei primi anni del 1800. Nel 1817, il fisico tedesco Theodor von Grotthus sviluppò una comprensione teorica del processo fotochimico. Più tardi, nel 1841, il chimico americano John William Draper studiò la reazione fotochimica tra i gas idrogeno e cloro.

Importanza della reazione fotochimica

Le reazioni fotochimiche sono di grande importanza per il supporto della vita sulla Terra. I cambiamenti chimici che avvengono nei gas atmosferici della Terra sono iniziati dalla radiazione solare e modificati dalle particelle sospese. Lo studio delle reazioni fotochimiche dell’alta atmosfera ha contribuito significativamente alla conoscenza della riduzione dello strato di ozono, delle piogge acide e del riscaldamento globale.

Le reazioni fotochimiche hanno un vantaggio particolare rispetto ad altri tipi di reazioni. Le reazioni fotochimiche richiedono la luce del sole, che è abbondantemente disponibile. Con il sole come figura centrale, l’origine della vita stessa deve essere stata un processo fotochimico nelle condizioni primitive della terra, poiché la radiazione del sole era l’unica fonte di energia. Semplici molecole gassose come il metano, l’ammoniaca e l’anidride carbonica devono aver reagito fotochimicamente per sintetizzare molecole organiche complesse come le proteine e l’acido nucleico nel corso dei secoli.

Il processo fotochimico dimostra una perfetta economia dell’atomo, poiché la trasformazione è iniziata da un fotone, piuttosto che da un reagente extra.

Principio di base della reazione fotochimica

Una reazione fotochimica è basata sui principi della fotochimica. Quando la luce illumina una molecola, questa passa ad uno stato eccitato, un processo noto come fotoeccitazione. Ci sono due leggi di reazione fotochimica:

• Legge di Grothuss-Draper: Questa legge afferma che una molecola deve assorbire la luce perché avvenga una reazione chimica.
• Legge di Stark-Einstein: Questa legge afferma che per ogni fotone di luce assorbito da una molecola, solo una molecola viene attivata per una reazione successiva.

L’efficienza con cui avviene un dato processo fotochimico è data da un termine chiamato resa quantica. La resa quantica è definita come “il numero di moli di un reagente dichiarato che scompare, o il numero di moli di un prodotto dichiarato prodotto, per mole di un fotone di luce monocromatica assorbita”. Poiché molte reazioni fotochimiche sono complesse e possono competere con la perdita di energia improduttiva, la resa quantica è solitamente specificata per un evento particolare.

Tipi di reazione fotochimica

Ecco i tipi di reazioni fotochimiche:

• Foto-dissociazione: AB + hν → A* + B*
• Riarrangiamenti fotoindotti, isomerizzazione: A + hν → B
• Foto-addizione: A + B + hν → AB
• Fotosostituzione: A + BC + hν → AB + C
• Reazioni fotoriduttive: A + B + hν → A- + B+

Esempi di reazione fotochimica

• Durante un processo di fotosintesi, il pigmento clorofilla nelle piante prende l’energia (hν) dal sole e l’acqua (H2O) per convertire il biossido di carbonio (CO2) in glucosio (C6H12O6) e ossigeno (O2). La fotosintesi può essere effettuata anche in presenza di luce artificiale.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• La fotografia usa l’azione della luce su grani di cloruro d’argento (AgCl) o bromuro d’argento (AgBr) per produrre un’immagine. Gli alogenuri d’argento (AgX) si decompongono in argento (Ag) e alogeno (X2). Questa reazione è un esempio di reazione di decomposizione fotochimica.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Le celle solari, che sono usate per alimentare satelliti e veicoli spaziali, convertono l’energia luminosa del sole in energia chimica e poi la rilasciano sotto forma di energia elettrica.
• Formazione della vitamina D per esposizione della pelle alla luce solare
• I composti carbonilici subiscono varie reazioni fotochimiche sia in fase gassosa che liquida

• La formazione di ozono nell’atmosfera superiore deriva dall’azione della luce solare sulle molecole di ossigeno.

3 O2 + hν → 2 O3

Reazione fotochimica in atmosfera

L’atmosfera contiene alcune sostanze gassose che alterano localmente la composizione chimica dell’aria. Secondo la teoria molecolare cinetica dei gas, le molecole presenti nell’atmosfera si muovono e si scontrano continuamente. Durante il giorno, le radiazioni solari sono continuamente fornite all’atmosfera. Di conseguenza, le molecole presenti nell’atmosfera assorbono l’energia luminosa e si verificano reazioni fotochimiche. Le reazioni fotochimiche giocano un ruolo cruciale nel determinare la natura delle specie chimiche, incluse quelle inquinanti, nell’atmosfera. Le reazioni di ossidazione che avvengono nell’atmosfera sono guidate dall’energia solare.

Reazioni di smog fotochimico

Lo smog fotochimico è una miscela di inquinanti che si forma quando gli ossidi di azoto (NOx) e i composti organici volatili (VOC) reagiscono alla luce solare, creando una foschia marrone sopra le città. È un sottoprodotto della moderna industrializzazione. Lo smog fotochimico può influenzare l’ambiente, la salute delle persone e anche vari materiali. Sostanze chimiche come gli ossidi di azoto, l’ozono e il nitrato perossiacetilico (PAN) possono avere effetti dannosi sulle piante.

NOx e VOC sono gli inquinanti primari, mentre l’ozono, le aldeidi e il PAN sono inquinanti secondari. L’ozono nell’atmosfera ci protegge dai raggi ultravioletti del sole, ma, a livello del suolo, è piuttosto pericoloso. Ecco le reazioni che avvengono nell’atmosfera e che alla fine portano allo smog:

1. Il diossido di azoto (NO2) assorbe la luce ultravioletta, e la formazione di ossido nitrico (NO) e ossigeno atomico (O) ha luogo.

NO2 + hν → NO + O

2. L’ozono (O3) è generato dalla reazione del gas ossigeno (O2) con questo ossigeno atomico.

O2 + O → O3

3. L’ozono così formato reagisce poi con NO per formare NO2 e O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. Il PAN è prodotto da reazioni del biossido di azoto con vari idrocarburi (RH), provenienti dai VOC:

NO2 + RH → PAN

5. I composti organici e inorganici ossigenati (ROx) reagiscono con l’ossido nitrico per produrre più ossidi di azoto:

NO + ROx → NO2 + altri prodotti

Applicazioni della reazione fotochimica

Ecco alcune applicazioni industriali delle reazioni fotochimiche:

• Per la preparazione di un farmaco antimalarico
• Per la produzione di cloruro di benzile
• Per la produzione di varie molecole organiche sintetiche

Differenza tra reazione fotochimica e reazione termica

Differenza tra reazione fotochimica e reazione elettrochimica

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