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What is a Photochemical Reaction?

光化学は、光エネルギーの吸収によって引き起こされる化学プロセスを扱う化学の一分野です。 光化学反応とは、光（光子）の形でエネルギーを吸収することによって開始される化学反応で、特定の生成物を生じます。 通常、分子は基底状態と呼ばれる最もエネルギーの低い状態に留まることを好みます。 しかし、光によって励起されると、分子はエネルギーを吸収し、励起状態と呼ばれる過渡的な状態に移行する。 この状態では、分子の物理的・化学的性質は基底状態とはまったく異なる。

光化学反応は、分子を活性化して目的の反応を引き起こすことができる光子の数によって駆動される。 光化学反応の間、これらの分子は新しい構造を形成する傾向がある。 それらは互いに、あるいは他の分子と結合し、電子、原子、陽子、あるいは他の励起エネルギーを他の分子に移し、その結果、長時間の化学連鎖反応を引き起こす可能性がある。 光化学反応は固体、液体、気体で起こりうる。

光化学の歴史的発展は1800年代初頭に行われた。 1817年、ドイツの物理学者テオドール・フォン・グロートゥスが光化学反応の理論的理解を深めた。 その後、1841年にアメリカの化学者John William Draperが水素ガスと塩素ガスの光化学反応を研究しました。

光化学反応の重要性

光化学反応は地球上の生命維持のために非常に重要であり、光化学反応に関連する化学物質も数多く存在します。 地球の大気ガス中で起こっている化学変化は、太陽放射によって開始され、浮遊粒子によって修正される。 上層大気の光化学反応の研究は、オゾン層の破壊、酸性雨、地球温暖化などの知見に大きく貢献している。

光化学反応には、他のタイプの反応に比べて特別な利点がある。 光化学反応には、豊富にある太陽光が必要である。 太陽を中心にして、太陽からの放射線が唯一のエネルギー源であった原始地球の状態では、生命の起源そのものが光化学反応であったに違いない。 メタン、アンモニア、二酸化炭素などの単純なガス状分子が光化学反応を起こし、時代を経てタンパク質や核酸などの複雑な有機分子を合成したに違いない。

光化学プロセスは、余計な試薬ではなく光子によって変換が開始されるので、完全な原子経済を示す。

光化学反応の基本原理

光化学反応は光化学の原理に基づいて起こるもので、光化学反応とは「光化学の原理」である。 分子に光が当たると、分子は励起状態になる。この過程は光励起と呼ばれる。 光化学反応の法則は2つある：

• Grothuss-Draper Law: 3674>
• Stark-Einsteinの法則：分子が光を吸収しないと化学反応が起こらないという法則。

ある光化学反応の効率は、量子収率と呼ばれる用語で与えられます。 量子収率は、「吸収した単色光の光子1モルあたり、消滅する所定の反応物のモル数、または生成する所定の生成物のモル数」と定義される。 多くの光化学反応は複雑で、非生産的なエネルギー損失と競合することがあるので、量子収率は通常、特定の事象について規定される。

光化学反応の種類

光化学反応の種類を以下に示す。

• 光解離: AB + hν → A* + B*
• 光誘起転位、異性化。 A + hν → B
• 光付加。 A＋B＋hν → AB
• 光置換。 A＋BC＋hν → AB＋C
• 光酸化還元反応。 A + B + hν → A- + B+

光化学反応の例

• 光合成過程では、植物の葉緑素が太陽と水（H2O）のエネルギー（hν）を取り込み、二酸化炭素（CO2）をブドウ糖（C6H12O6）と酸素（O2）へと変化させます。 3674>

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• 写真は塩化銀（AgCl）または臭化銀（AgBr）の粒に光を作用させて画像を生成するものである。 ハロゲン化銀（AgX）は、銀（Ag）とハロゲン（X2）に分解されます。 3674>

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• 人工衛星や宇宙船に使用されている太陽電池は、太陽の光エネルギーを化学エネルギーに変換し、電気エネルギーという形で放出するものである。
• 太陽光を皮膚に当てることでビタミンDを生成
• カルボニル化合物は気相と液相の両方でさまざまな光化学反応を起こします

• 上層大気でのオゾン形成は酸素分子に太陽光が作用して起こるものであり、このオゾンの生成は、太陽光が酸素分子に作用することによって起こります
• 。

3 O2 + hν → 2 O3

大気の光化学反応

大気にはいくつかのガス状物質があって空気の化学組成を局所的に変化させることがあります。 気体の運動論的分子論から、大気中の分子は絶えず移動し、衝突している。 日中、大気には太陽光が降り注いでいる。 その結果、大気中の分子は光エネルギーを吸収し、光化学反応が起こる。 光化学反応は、大気中の汚染物質を含む化学種の性質を決定する上で重要な役割を担っている。

光化学スモッグ反応

光化学スモッグは、窒素酸化物（NOx）と揮発性有機化合物（VOC）が太陽光に反応してできる汚染物質の混合物で、都市の上に茶色のヘイズを発生させるものである。 近代工業化の副産物である。 光化学スモッグは、環境、人々の健康、さらにはさまざまな物質に影響を及ぼす可能性がある。 窒素酸化物、オゾン、硝酸ペルオキシアセチル（PAN）などの化学物質は、植物に有害な影響を与えることがあります。

NOx と VOC が一次汚染物質であり、オゾン、アルデヒド、PAN は二次汚染物質です。 大気中のオゾンは太陽の紫外線から私たちを守ってくれますが、地上ではかなり危険な存在なのです。 以下は、大気中で起こる反応のうち、最終的にスモッグにつながるものである。 二酸化窒素（NO2）が紫外線を吸収し、一酸化窒素（NO）と原子状酸素（O）が生成される。

NO2 + hν → NO + O

2. 酸素（O2）ガスとこの原子状酸素の反応により、オゾン（O3）が生成される。

O2 + O → O3

3. オゾンはNOと反応してNO2とO2を生成する：

NO + O3 → NO2 + O2

4. PANは二酸化窒素とVOC由来の各種炭化水素（RH）の反応により生成する：

NO2 + RH → PAN

5. 酸素を含む有機・無機化合物（ROx）は一酸化窒素と反応してさらに窒素酸化物を生成する：

NO + ROx → NO2 + その他の生成物

光化学反応の応用

光化学反応の工業的応用について紹介します。

• 抗マラリア薬の製造
• 塩化ベンジルの製造
• 種々の有機合成分子の製造

光化学反応と熱反応の違い