Chemistry Learner

What is een fotochemische reactie?

Photochemie is de tak van de chemie die zich bezighoudt met de chemische processen die worden veroorzaakt door de absorptie van lichtenergie. Een fotochemische reactie is een chemische reactie die in gang wordt gezet door de absorptie van energie in de vorm van licht (fotonen), waarbij specifieke producten ontstaan. Gewoonlijk blijven moleculen bij voorkeur in de toestand met de laagste energie, de grondtoestand genoemd. Wanneer zij door fotonen worden geëxciteerd, absorberen moleculen energie en komen zij in een voorbijgaande toestand, die aangeslagen toestand wordt genoemd. In deze toestand zijn de fysische en chemische eigenschappen van de moleculen geheel verschillend van die van de grondtoestand.

Fotochemische reacties worden gestuurd door het aantal fotonen dat moleculen kan activeren om de gewenste reactie te veroorzaken. Tijdens een fotochemische reactie hebben deze moleculen de neiging een nieuwe structuur te vormen. Zij kunnen zich met elkaar of met andere moleculen verbinden en elektronen, atomen, protonen of andere excitatie-energie aan andere moleculen overdragen, waardoor een langdurige chemische kettingreactie ontstaat. De fotochemische reactie kan plaatsvinden in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.

Historische ontwikkelingen in de fotochemie vonden plaats in het begin van de jaren 1800. In 1817 ontwikkelde de Duitse natuurkundige Theodor von Grotthus een theoretisch begrip van het fotochemische proces. Later, in 1841, bestudeerde de Amerikaanse scheikundige John William Draper de fotochemische reactie tussen waterstof en chloorgassen.

Belang van Fotochemische Reactie

Photochemische reacties zijn van groot belang voor de ondersteuning van het leven op Aarde. Chemische veranderingen die plaatsvinden in de atmosferische gassen van de aarde worden geïnitieerd door zonnestraling en gewijzigd door de zwevende deeltjes. De studie van fotochemische reacties in de hogere atmosferen heeft aanzienlijk bijgedragen tot de kennis van de afbraak van de ozonlaag, zure regen en de opwarming van de aarde.

Photochemische reacties hebben een bijzonder voordeel boven andere soorten reacties. Fotochemische reacties vereisen zonlicht, dat in overvloed beschikbaar is. Met de zon als centrale figuur moet de oorsprong van het leven zelf in de primitieve aardse omstandigheden een fotochemisch proces zijn geweest, aangezien straling van de zon de enige energiebron was. Eenvoudige gasmoleculen als methaan, ammoniak en kooldioxide moeten fotochemisch hebben gereageerd om door de eeuwen heen complexe organische moleculen als proteïnen en nucleïnezuur te synthetiseren.

Het fotochemische proces vertoont een perfecte atoomeconomie, omdat de transformatie in gang wordt gezet door een foton, in plaats van door een extra reagens.

Basisprincipe van fotochemische reactie

Een fotochemische reactie is gebaseerd op de principes van de fotochemie. Wanneer licht op een molecuul schijnt, gaat het naar een aangeslagen toestand, een proces dat foto-oxcitatie wordt genoemd. Er zijn twee wetten van fotochemische reactie:

• Wet van Grothuss-Draper: Deze wet stelt dat een molecuul licht moet absorberen om een chemische reactie te laten plaatsvinden.
• Wet van Stark-Einstein: Deze wet stelt dat voor elk foton licht dat door een molecuul wordt geabsorbeerd, slechts één molecuul wordt geactiveerd voor een volgende reactie.

De efficiëntie waarmee een bepaald fotochemisch proces plaatsvindt, wordt gegeven door een term die quantumrendement wordt genoemd. Kwantumrendement wordt gedefinieerd als “het aantal mol van een vermelde reactant dat verdwijnt, of het aantal mol van een vermeld product dat ontstaat, per mol van een geabsorbeerd foton monochromatisch licht”. Aangezien veel fotochemische reacties complex zijn en kunnen concurreren met onproductief energieverlies, wordt de kwantumopbrengst gewoonlijk gespecificeerd voor een bepaalde gebeurtenis.

Typen fotochemische reactie

Hierna volgen de typen fotochemische reacties:

• Foto-dissociatie: AB + hν → A* + B*
• Foto-geïnduceerde herschikkingen, isomerisatie: A + hν → B
• Photo-additie: A + B + hν → AB
• Photo-substitutie: A + BC + hν → AB + C
• Photo-redoxreacties: A + B + hν → A- + B+

Voorbeelden van fotochemische reacties

• Tijdens een fotosyntheseproces neemt het pigment chlorofyl in planten de energie (hν) van de zon en water (H2O) op om koolstofdioxide (CO2) om te zetten in glucose (C6H12O6) en zuurstof (O2). Fotosynthese kan ook plaatsvinden in aanwezigheid van kunstlicht.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Fotografie maakt gebruik van de werking van licht op korrels zilverchloride (AgCl) of zilverbromide (AgBr) om een beeld te produceren. Zilverhalogenide (AgX) ontleedt in zilver (Ag) en halogeen (X2). Deze reactie is een voorbeeld van een fotochemische ontledingsreactie.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Zonnecellen, die worden gebruikt om satellieten en ruimtevoertuigen van energie te voorzien, zetten lichtenergie van de zon om in chemische energie en geven die energie vervolgens af in de vorm van elektrische energie.
• Vorming van vitamine D door blootstelling van de huid aan zonlicht
• Carbonylverbindingen ondergaan diverse fotochemische reacties in zowel gas- als vloeibare fase

• Ozonvorming in de bovenste atmosfeer is het gevolg van de inwerking van zonlicht op zuurstofmoleculen.

3 O2 + hν → 2 O3

Photochemische reactie in atmosfeer

De atmosfeer bevat enkele gasvormige stoffen die plaatselijk de chemische samenstelling van lucht veranderen. Volgens de kinetische moleculaire theorie van gassen, bewegen en botsen de moleculen in de atmosfeer voortdurend tegen elkaar. Overdag worden voortdurend zonnestralen aan de atmosfeer afgegeven. Als gevolg daarvan absorberen de in de atmosfeer aanwezige moleculen de lichtenergie, en treden fotochemische reacties op. Fotochemische reacties spelen een cruciale rol bij het bepalen van de aard van chemische species, waaronder verontreinigende species, in de atmosfeer. De oxidatiereacties die in de atmosfeer plaatsvinden, worden aangedreven door zonne-energie.

Photochemische smogreacties

Photochemische smog is een mengsel van verontreinigende stoffen dat ontstaat wanneer stikstofoxiden (NOx) en vluchtige organische stoffen (VOC’s) reageren op zonlicht, waardoor een bruine waas boven steden ontstaat. Het is een bijproduct van de moderne industrialisering. Fotochemische smog kan gevolgen hebben voor het milieu, de gezondheid van de mens en zelfs voor diverse materialen. Chemische stoffen zoals stikstofoxiden, ozon en peroxyacetylnitraat (PAN) kunnen schadelijke gevolgen hebben voor planten.

NOx en VOC’s zijn de primaire verontreinigende stoffen, terwijl ozon, aldehyden en PAN secundaire verontreinigende stoffen zijn. Ozon in de atmosfeer beschermt ons tegen de ultraviolette stralen van de zon, maar aan de grond is het vrij gevaarlijk. Hier volgen de reacties die in de atmosfeer plaatsvinden en die uiteindelijk tot smog leiden:

1. Stikstofdioxide (NO2) absorbeert ultraviolet licht, en de vorming van stikstofmonoxide (NO) en atomaire zuurstof (O) vindt plaats.

NO2 + hν → NO + O

2. Ozon (O3) ontstaat door de reactie van zuurstof (O2) gas met deze atomaire zuurstof.

O2 + O → O3

3. De aldus gevormde ozon reageert vervolgens met NO tot NO2 en O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. PAN ontstaat door reacties van stikstofdioxide met verschillende koolwaterstoffen (RH), afkomstig van VOC’s:

NO2 + RH → PAN

5. Zuurstofhoudende organische en anorganische verbindingen (ROx) reageren met stikstofmonoxide om meer stikstofoxiden te produceren:

NO + ROx → NO2 + andere producten

Toepassingen van fotochemische reacties

Hier volgen enkele industriële toepassingen van fotochemische reacties:

• Voor de bereiding van anti-malaria medicijn
• Voor de productie van benzylchloride
• Voor de productie van diverse synthetische organische moleculen

Verschil tussen Fotochemische Reactie en Thermische Reactie

Verschil tussen fotochemische reactie en elektrochemische reactie

Vraag