Chemia Learner

Co to jest reakcja fotochemiczna?

Fotochemia jest dziedziną chemii, która zajmuje się procesami chemicznymi, które są spowodowane przez absorpcję energii świetlnej. Reakcja fotochemiczna to reakcja chemiczna zapoczątkowana przez absorpcję energii w postaci światła (fotonów), w wyniku której powstają określone produkty. Zazwyczaj cząsteczki wolą pozostawać w stanie o najniższej energii, zwanym stanem podstawowym. Kiedy są wzbudzone przez fotony, cząsteczki absorbują energię i przechodzą w stan przejściowy, zwany stanem wzbudzonym. W tym stanie, właściwości fizyczne i chemiczne cząsteczek są zupełnie inne niż w stanie podstawowym.

Reakcje fotochemiczne są napędzane przez liczbę fotonów, które mogą aktywować cząsteczki, aby wywołać pożądaną reakcję. Podczas reakcji fotochemicznej, cząsteczki te mają tendencję do tworzenia nowej struktury. Mogą one łączyć się ze sobą lub z innymi cząsteczkami i przekazywać elektrony, atomy, protony lub inną energię wzbudzenia innym cząsteczkom, powodując w ten sposób przedłużającą się chemiczną reakcję łańcuchową. Reakcja fotochemiczna może zachodzić w ciele stałym, cieczy i gazie.

Historyczny rozwój fotochemii miał miejsce na początku 1800 roku. W 1817 r. niemiecki fizyk Theodor von Grotthus opracował teoretyczne rozumienie procesu fotochemicznego. Później, w 1841 r., amerykański chemik John William Draper badał reakcję fotochemiczną między wodorem a chlorem.

Ważność reakcji fotochemicznych

Reakcje fotochemiczne mają ogromne znaczenie dla podtrzymania życia na Ziemi. Przemiany chemiczne zachodzące w gazach atmosferycznych Ziemi są inicjowane przez promieniowanie słoneczne i modyfikowane przez zawieszone w nim cząstki. Badania fotochemicznych reakcji zachodzących w górnych warstwach atmosfery znacząco przyczyniły się do poznania problemu zubożenia warstwy ozonowej, kwaśnych deszczy i globalnego ocieplenia.

Reakcje fotochemiczne mają szczególną przewagę nad innymi typami reakcji. Reakcje fotochemiczne wymagają światła słonecznego, które jest obficie dostępne. Ze słońcem jako jego centralną postacią, pochodzenie życia samo w sobie musiało być procesem fotochemicznym w prymitywnych warunkach ziemskich, ponieważ promieniowanie słoneczne było jedynym źródłem energii. Proste cząsteczki gazowe, takie jak metan, amoniak i dwutlenek węgla musiały reagować fotochemicznie, aby syntetyzować złożone cząsteczki organiczne, takie jak białka i kwas nukleinowy przez wieki.

Proces fotochemiczny demonstruje doskonałą gospodarkę atomową, ponieważ transformacja jest inicjowana przez foton, a nie dodatkowy reagent.

Podstawowa zasada reakcji fotochemicznej

Reakcja fotochemiczna opiera się na zasadach fotochemii. Kiedy światło świeci na cząsteczkę, to przechodzi do stanu wzbudzonego, proces znany jako fotoekscytacji. Istnieją dwa prawa reakcji fotochemicznej:

• Prawo Grothussa-Drapera: Prawo to stwierdza, że cząsteczka musi absorbować światło, aby mogła zajść reakcja chemiczna.
• Prawo Starka-Einsteina: Prawo to stwierdza, że na każdy foton światła pochłonięty przez cząsteczkę, tylko jedna cząsteczka jest aktywowana do następnej reakcji.

Wydajność, z jaką zachodzi dany proces fotochemiczny, jest podawana za pomocą terminu zwanego wydajnością kwantową. Wydajność kwantowa jest definiowana jako „liczba moli określonego reagenta zanikającego lub liczba moli określonego produktu wytworzonego na mol pochłoniętego fotonu światła monochromatycznego”. Ponieważ wiele reakcji fotochemicznych jest złożonych i może konkurować z bezproduktywną utratą energii, wydajność kwantowa jest zwykle określona dla konkretnego zdarzenia.

Typy reakcji fotochemicznych

Oto typy reakcji fotochemicznych:

• Fotodysocjacja: AB + hν → A* + B*
• Fotoindukowane rearanżacje, izomeryzacja: A + hν → B
• Fotoaddycja: A + B + hν → AB
• Foto-substytucja: A + BC + hν → AB + C
• Reakcje fotoodtruwania: A + B + hν → A- + B+

Przykłady reakcji fotochemicznych

• Podczas procesu fotosyntezy barwnik chlorofil w roślinach pobiera energię (hν) ze słońca i wody (H2O), aby przekształcić dwutlenek węgla (CO2) w glukozę (C6H12O6) i tlen (O2). Fotosynteza może być również przeprowadzana w obecności sztucznego światła.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Fotografia wykorzystuje działanie światła na ziarna chlorku srebra (AgCl) lub bromku srebra (AgBr) do wytworzenia obrazu. Halogenki srebra (AgX) rozkładają się na srebro (Ag) i halogen (X2). Ta reakcja jest przykładem reakcji rozkładu fotochemicznego.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Ogniwa słoneczne, które są używane do zasilania satelitów i pojazdów kosmicznych, przekształcają energię świetlną ze słońca w energię chemiczną, a następnie uwalniają tę energię w postaci energii elektrycznej.
• Formowanie witaminy D poprzez wystawienie skóry na działanie światła słonecznego
• Związki karbonylowe ulegają różnym reakcjom fotochemicznym zarówno w fazie gazowej, jak i ciekłej

• Tworzenie ozonu w górnej atmosferze jest wynikiem działania światła słonecznego na cząsteczki tlenu.

3 O2 + hν → 2 O3

Reakcja fotochemiczna w atmosferze

Atmosfera zawiera pewne substancje gazowe, które lokalnie zmieniają skład chemiczny powietrza. Z kinetycznej teorii molekularnej gazów wynika, że cząsteczki obecne w atmosferze poruszają się i zderzają ze sobą w sposób ciągły. W ciągu dnia promieniowanie słoneczne jest stale dostarczane do atmosfery. W wyniku tego cząsteczki obecne w atmosferze absorbują energię świetlną i zachodzą reakcje fotochemiczne. Reakcje fotochemiczne odgrywają kluczową rolę w określaniu charakteru gatunków chemicznych, w tym gatunków zanieczyszczeń, w atmosferze. Reakcje utleniania zachodzące w atmosferze są napędzane przez energię słoneczną.

Reakcje smogu fotochemicznego

Smog fotochemiczny jest mieszaniną zanieczyszczeń, które powstają, gdy tlenki azotu (NOx) i lotne związki organiczne (VOC) reagują na światło słoneczne, tworząc brązową mgiełkę nad miastami. Jest to produkt uboczny nowoczesnej industrializacji. Smog fotochemiczny może mieć wpływ na środowisko, zdrowie ludzi, a nawet na różne materiały. Związki chemiczne takie jak tlenki azotu, ozon i azotan peroksyacetylu (PAN) mogą mieć szkodliwy wpływ na rośliny.

NOx i lotne związki organiczne są zanieczyszczeniami pierwotnymi, podczas gdy ozon, aldehydy i PAN są zanieczyszczeniami wtórnymi. Ozon w atmosferze chroni nas przed ultrafioletowym promieniowaniem słonecznym, ale na poziomie gruntu jest dość niebezpieczny. Oto reakcje zachodzące w atmosferze, które ostatecznie prowadzą do powstania smogu:

1. Dwutlenek azotu (NO2) absorbuje promieniowanie ultrafioletowe i dochodzi do powstania tlenku azotu (NO) oraz tlenu atomowego (O).

NO2 + hν → NO + O

2. Ozon (O3) powstaje w wyniku reakcji tlenu (O2) z tlenem atomowym.

O2 + O → O3

3. Tak powstały ozon reaguje następnie z NO tworząc NO2 i O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. PAN powstaje w wyniku reakcji dwutlenku azotu z różnymi węglowodorami (RH), pochodzącymi z lotnych związków organicznych:

NO2 + RH → PAN

5. Utlenione związki organiczne i nieorganiczne (ROx) reagują z tlenkiem azotu, wytwarzając więcej tlenków azotu:

NO + ROx → NO2 + inne produkty

Zastosowania reakcji fotochemicznych

Oto niektóre przemysłowe zastosowania reakcji fotochemicznych:

• Do otrzymywania leku przeciwmalarycznego
• Do produkcji chlorku benzylu
• Do produkcji różnych syntetycznych cząsteczek organicznych

Różnica między reakcją fotochemiczną a reakcją termiczną

Różnica między reakcją fotochemiczną a reakcją elektrochemiczną

FAQ

.