Aprendizagem de Química

O que é uma Reação Fotoquímica?

Fotoquímica é o ramo da química que lida com os processos químicos que são causados pela absorção da energia da luz. Uma reação fotoquímica é uma reação química iniciada pela absorção de energia na forma de luz (fótons), resultando em produtos específicos. Normalmente, as moléculas preferem permanecer no estado de menor energia, conhecido como o estado do solo. Quando são excitadas por fótons, as moléculas absorvem energia e entram num estado transiente, conhecido como estado excitado. Neste estado, as propriedades físicas e químicas das moléculas são inteiramente diferentes das do estado moído.

Reações fotoquímicas são impulsionadas pelo número de fótons que podem ativar as moléculas para causar a reação desejada. Durante uma reação fotoquímica, estas moléculas tendem a formar uma nova estrutura. Elas podem combinar-se entre si ou com outras moléculas e transferir elétrons, átomos, prótons ou outra energia de excitação para outras moléculas, causando assim uma prolongada reação química em cadeia. A reação fotoquímica pode ocorrer em sólido, líquido e gás.

Desenvolvimentos históricos na fotoquímica ocorreram no início do século 1800. Em 1817, o físico alemão Theodor von Grotthus desenvolveu uma compreensão teórica do processo fotoquímico. Mais tarde, em 1841, o químico americano John William Draper estudou a reação fotoquímica entre os gases hidrogênio e cloro.

Importância da Reação Fotoquímica

Reações fotoquímicas são de grande importância para o suporte da vida na Terra. As mudanças químicas que ocorrem nos gases atmosféricos da Terra são iniciadas pela radiação solar e modificadas pelas partículas em suspensão. O estudo das reações fotoquímicas atmosféricas superiores tem contribuído significativamente para o conhecimento do esgotamento da camada de ozônio, chuva ácida e aquecimento global.

Reações fotoquímicas têm uma vantagem particular sobre outros tipos de reações. Reações fotoquímicas requerem luz solar, que está disponível em abundância. Com o sol como sua figura central, a origem da própria vida deve ter sido um processo fotoquímico nas condições primitivas da terra, já que a radiação do sol era a única fonte de energia. Moléculas gasosas simples como metano, amônia e dióxido de carbono devem ter reagido fotoquimicamente para sintetizar moléculas orgânicas complexas como proteínas e ácido nucléico através das idades.

O processo fotoquímico demonstra perfeita economia de átomos, como a transformação é iniciada por um fóton, ao invés de um reagente extra.

Princípio Básico de Reação Fotoquímica

Uma reação fotoquímica é baseada nos princípios da fotoquímica. Quando a luz brilha sobre uma molécula, ela vai para um estado excitado, um processo conhecido como fotoexcitação. Existem duas leis da reação fotoquímica:

• Lei Grothuss-Draper: Esta lei diz que uma molécula deve absorver a luz para que ocorra uma reacção química.
• Lei de Stark-Einstein: Esta lei estabelece que para cada fotão de luz absorvido por uma molécula, apenas uma molécula é activada para uma reacção subsequente.

A eficiência com que um dado processo fotoquímico ocorre é dada por um termo chamado rendimento quântico. Rendimento quântico é definido como “o número de toupeiras de um reagente declarado desaparecendo, ou o número de toupeiras de um produto declarado produzido, por toupeira de um fóton de luz monocromática absorvida”. Como muitas reações fotoquímicas são complexas e podem competir com a perda improdutiva de energia, a produção quântica é normalmente especificada para um evento particular.

Tipos de reação fotoquímica

Aqui estão os tipos de reações fotoquímicas:

• Foto-dissociação: AB + hν → → A* + B*
• Rearranjos fotoquímicos, isomerização: A + hν → B

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• Fotoadição: A + B + hν → AB

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• Foto-substituição: A + BC + hν → AB + C

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• Reacções de foto-redox: A + B + hν → A- + B+

Exemplos de Reacção Fotoquímica

• Durante um processo de fotossíntese, o pigmento clorofila nas plantas absorve a energia (hν) do sol e da água (H2O) para converter dióxido de carbono (CO2) em glicose (C6H12O6) e oxigénio (O2). A fotossíntese também pode ser realizada na presença de luz artificial.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Fotografia utiliza a ação da luz sobre grãos de cloreto de prata (AgCl) ou brometo de prata (AgBr) para produzir uma imagem. Os halogenetos de prata (AgX) se decompõem em prata (Ag) e halogênio (X2). Esta reacção é um exemplo de reacção de decomposição fotoquímica.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Células solares, que são utilizadas para alimentar satélites e veículos espaciais, converter a energia luminosa do sol em energia química e depois libertar essa energia sob a forma de energia eléctrica.
• Formação da vitamina D pela exposição da pele à luz solar
• Os compostos carbonílicos sofrem várias reacções fotoquímicas tanto na fase gasosa como líquida

A formação de ozono na atmosfera superior resulta da acção da luz solar sobre as moléculas de oxigénio.

3 O2 + hν → 2 O3

Reacção Fotoquímica na Atmosfera

Atmosfera contém algumas substâncias gasosas que alteram localmente a composição química do ar. A partir da teoria cinética molecular dos gases, as moléculas presentes na atmosfera estão se movendo e colidindo entre si continuamente. Durante o dia, as radiações solares são continuamente transmitidas para a atmosfera. Como resultado, as moléculas presentes na atmosfera absorvem a energia da luz, e ocorrem reacções fotoquímicas. As reacções fotoquímicas têm um papel crucial na determinação da natureza das espécies químicas, incluindo as espécies poluentes, na atmosfera. As reacções de oxidação que ocorrem na atmosfera são impulsionadas pela energia solar.

Reacções de smog fotoquímico

O smog fotoquímico é uma mistura de poluentes que se formam quando óxidos de azoto (NOx) e compostos orgânicos voláteis (COVs) reagem à luz solar, criando uma névoa castanha acima das cidades. É um subproduto da industrialização moderna. O smog fotoquímico pode afetar o meio ambiente, a saúde das pessoas e até mesmo vários materiais. Produtos químicos como óxidos de nitrogênio, ozônio e nitrato de peroxiacetila (PAN) podem ter efeitos nocivos nas plantas.

NOx e COVs são os poluentes primários, enquanto ozônio, aldeídos e PAN são poluentes secundários. O ozônio na atmosfera nos protege dos raios ultravioleta do sol, mas, ao nível do solo, é bastante perigoso. Aqui estão as reações que ocorrem na atmosfera, levando finalmente ao smog:

1. O dióxido de nitrogênio (NO2) absorve a luz ultravioleta, e a formação de óxido nítrico (NO) e oxigênio atômico (O) ocorre.

NO2 + hν → NO + O

2. O ozônio (O3) é gerado pela reação do oxigênio (O2) gasoso com esse oxigênio atômico.

O2 + O → O3

3. O ozono assim formado reage então com NO para formar NO2 e O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. O PAN é produzido por reacções de dióxido de azoto com vários hidrocarbonetos (RH), provenientes de COV:

NO2 + RH → PAN

5. Compostos orgânicos e inorgânicos oxigenados (ROx) reagem com óxido nítrico para produzir mais óxidos de nitrogênio:

NO + ROx → NO2 + outros produtos

Aplicações de reação fotoquímica

Aqui estão algumas aplicações industriais de reações fotoquímicas:

• Para a preparação de fármaco antimalárico
• Para a produção de cloreto de benzilo
• Para a produção de várias moléculas orgânicas sintéticas

Diferença entre Reacção Fotoquímica e Reacção Térmica

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Diferença entre Reação Fotoquímica e Reação Eletroquímica

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