Chemistry Learner

Vad är en fotokemisk reaktion?

Fotokemi är den gren av kemin som behandlar de kemiska processer som orsakas av absorption av ljusenergi. En fotokemisk reaktion är en kemisk reaktion som inleds genom absorption av energi i form av ljus (fotoner) och som resulterar i specifika produkter. Vanligtvis föredrar molekyler att förbli i det tillstånd där energin är lägst, det s.k. grundtillståndet. När de exciteras av fotoner absorberar molekylerna energi och går in i ett övergående tillstånd, det s.k. exciterade tillståndet. I detta tillstånd är molekylernas fysikaliska och kemiska egenskaper helt annorlunda än i grundtillståndet.

Fotokemiska reaktioner styrs av antalet fotoner som kan aktivera molekyler för att orsaka den önskade reaktionen. Under en fotokemisk reaktion tenderar dessa molekyler att bilda en ny struktur. De kan kombinera sig med varandra eller med andra molekyler och överföra elektroner, atomer, protoner eller annan excitationsenergi till andra molekyler och på så sätt orsaka en långvarig kemisk kedjereaktion. Den fotokemiska reaktionen kan äga rum i fasta, flytande och gasformiga ämnen.

Den historiska utvecklingen inom fotokemin ägde rum i början av 1800-talet. År 1817 utvecklade den tyske fysikern Theodor von Grotthus en teoretisk förståelse av den fotokemiska processen. Senare, 1841, studerade den amerikanske kemisten John William Draper den fotokemiska reaktionen mellan vätgas och klorgas.

Fotokemisk reaktions betydelse

Fotokemiska reaktioner är av stor betydelse för att upprätthålla livet på jorden. Kemiska förändringar som äger rum i jordens atmosfäriska gaser initieras av solstrålning och modifieras av suspenderade partiklar. Studiet av fotokemiska reaktioner i övre atmosfären har i hög grad bidragit till kunskapen om nedbrytning av ozonskiktet, surt regn och global uppvärmning.

Fotokemiska reaktioner har en särskild fördel jämfört med andra typer av reaktioner. Fotokemiska reaktioner kräver solljus, som är rikligt tillgängligt. Med solen som centralfigur måste själva livets ursprung ha varit en fotokemisk process under de primitiva förhållandena på jorden eftersom strålning från solen var den enda energikällan. Enkla gasmolekyler som metan, ammoniak och koldioxid måste ha reagerat fotokemiskt för att syntetisera komplexa organiska molekyler som proteiner och nukleinsyra genom tiderna.

Den fotokemiska processen uppvisar en perfekt atomekonomi, eftersom omvandlingen initieras av en foton och inte av ett extra reagens.

Basisk princip för fotokemisk reaktion

En fotokemisk reaktion är baserad på fotokemins principer. När ljus lyser på en molekyl går den till ett exciterat tillstånd, en process som kallas fotoexcitering. Det finns två lagar för fotokemiska reaktioner:

• Grothuss-Draper-lagen: Denna lag säger att en molekyl måste absorbera ljus för att en kemisk reaktion ska äga rum.
• Stark-Einstein-lagen: Denna lag säger att en molekyl måste absorbera ljus för att en kemisk reaktion ska äga rum: Denna lag säger att för varje ljusfoton som absorberas av en molekyl, aktiveras endast en molekyl för en efterföljande reaktion.

Den effektivitet med vilken en viss fotokemisk process sker ges av en term som kallas kvantutbyte. Kvantutbyte definieras som ”antalet mol av en angiven reaktant som försvinner, eller antalet mol av en angiven produkt som produceras, per mol absorberad foton monokromatiskt ljus”. Eftersom många fotokemiska reaktioner är komplexa och kan konkurrera med improduktiv energiförlust, specificeras kvantutbytet vanligtvis för en viss händelse.

Typer av fotokemiska reaktioner

Här är typerna av fotokemiska reaktioner:

• Foto-dissociation: AB + hν → A* + B*
• Fotoinducerade omläggningar, isomerisering: A + hν → B
• Fotoaddition: A + B + hν → AB
• Fotosubstitution: A + BC + hν → AB + C
• Foto-redoxreaktioner: A + B + hν → A- + B+

Exempel på fotokemiska reaktioner

• Under fotosyntesen tar pigmentet klorofyll i växter upp energi (hν) från solen och vatten (H2O) för att omvandla koldioxid (CO2) till glukos (C6H12O6) och syre (O2). Fotosyntesen kan också ske i närvaro av artificiellt ljus.

6 CO2 + 6 H2O + hν → C6H12O6 + 6 O2

• Fotografin använder sig av ljusets inverkan på korn av silverklorid (AgCl) eller silverbromid (AgBr) för att producera en bild. Silverhalogenider (AgX) sönderdelas till silver (Ag) och halogen (X2). Denna reaktion är ett exempel på en fotokemisk nedbrytningsreaktion.

2 AgCl + hν → 2 Ag + Cl2

2 AgBr + hν → 2 Ag + Br2

• Solceller, som används för att driva satelliter och rymdfarkoster, omvandlar ljusenergi från solen till kemisk energi och avger sedan denna energi i form av elektrisk energi.
• Bildning av D-vitamin genom att huden utsätts för solljus
• Carbonylföreningar genomgår olika fotokemiska reaktioner i både gas- och vätskefas

• Ozonbildningen i den övre atmosfären är ett resultat av solljusets inverkan på syremolekyler.

3 O2 + hν → 2 O3

Fotokemisk reaktion i atmosfären

Atmosfären innehåller en del gasformiga ämnen som lokalt ändrar luftens kemiska sammansättning. Enligt den kinetiska molekylteorin för gaser rör sig molekylerna i atmosfären och kolliderar kontinuerligt med varandra. Under dagtid levereras solstrålning kontinuerligt till atmosfären. Som ett resultat av detta absorberar molekylerna i atmosfären ljusenergin och fotokemiska reaktioner uppstår. Fotokemiska reaktioner spelar en avgörande roll när det gäller att bestämma arten av kemiska arter, inklusive förorenande arter, i atmosfären. De oxidationsreaktioner som äger rum i atmosfären drivs av solenergi.

Fotokemiska smogreaktioner

Fotokemisk smog är en blandning av föroreningar som bildas när kväveoxider (NOx) och flyktiga organiska föreningar (VOC) reagerar med solljuset och skapar ett brunt dis över städerna. Det är en biprodukt av den moderna industrialiseringen. Fotokemisk smog kan påverka miljön, människors hälsa och även olika material. Kemikalier som kväveoxider, ozon och peroxyacetylnitrat (PAN) kan ha skadliga effekter på växter.

NOx och VOC är de primära föroreningarna, medan ozon, aldehyder och PAN är sekundära föroreningar. Ozon i atmosfären skyddar oss från solens ultravioletta strålar, men på marknivå är det ganska farligt. Här är de reaktioner som äger rum i atmosfären och som i slutändan leder till smog:

1. Kvävedioxid (NO2) absorberar ultraviolett ljus och det bildas kväveoxid (NO) och atomärt syre (O).

NO2 + hν → NO + O

2. Ozon (O3) bildas genom att syre (O2)-gasen reagerar med detta atomära syre.

O2 + O → O3

3. Ozon som bildas på detta sätt reagerar sedan med NO för att bilda NO2 och O2:

NO + O3 → NO2 + O2

4. PAN bildas genom reaktioner mellan kvävedioxid och olika kolväten (RH), som kommer från VOC:

NO2 + RH → PAN

5. Syrehaltiga organiska och oorganiska föreningar (ROx) reagerar med kväveoxid för att producera fler kväveoxider:

NO + ROx → NO2 + andra produkter

Användningar av fotokemiska reaktioner

Här är några industriella tillämpningar av fotokemiska reaktioner:

• För framställning av läkemedel mot malaria
• För framställning av bensylklorid
• För framställning av olika syntetiska organiska molekyler

Skillnaden mellan fotokemisk reaktion och termisk reaktion

Skillnaden mellan fotokemisk reaktion och elektrokemisk reaktion

FAQ