4. Фотохімічні реакції

Реакції, що протікають під дією світла, називають фотохімічними.

До фотохімічних процесів відноситься велика кількість різних реакцій. Наприклад, на світлові суміш газів Н₂ і F зривається; аміак розкладається на N₂ і Н₂ і під дією ультрафіолетового випромінювання утворюється озон з молекулярного кисню. Фотохімічні реакції лежать в основі фотографічних процесів; відбілюючої дії кисневмісних з’єднань хлору.

Під дією ультрафіолетового випромінювання сонячного світла в шкірі людини синтезується необхідний вітамін Д, що має антирахітичну активність. Синтетичний вітамін Д одержують в промисловості, також використовуючи фотохімічну реакцію.

Під дією світла може змінюватися якість харчових продуктів. наприклад, молоко втрачає вітаміни, набуває неприємного смаку.

Найважливішим фотохімічним процесом є протікання в зелених рослинах процесу фотосинтезу – утворення вуглеводів та інших органічних з’єднань з СО₂ і Н₂О під дією енергії сонячного світла, що поглинається зеленим пігментом рослин - хлорофілом:

6СО₂ + 6Н₂О С₆ Н₁₂О₆ + 6О₂

Цей процес складний, складається з ряду стадій, багато з яких до цих пір вивчені недостатньо.

Фотосинтез – найважливіший біохімічний процес на Землі, бо це єдине джерело поповнення запасів атмосферного кисню і органічних речовин, які служать їжею для людей і тварин. Основоположником вчення про фотосинтез був російський фізіолог К.А.Тимирязєв.

Фотохімічна дія світла полягає в тому, що атоми і молекули реагуючих речовин, поглинаючи світлові кванти - фотони, збуджуються.

Енергія фотону Е зв’язана з частотою його випромінювання ν співвідношенням: Е =h ·ν, де Дж

h – постійна Планка, h = 6,626 · 10 ^–34 Гц або (Дж ·с).

З цієї формули витікає, що більшу енергію і високу хімічну активність мають світлові промені з більшою частотою, тобто з меншою довжиною хвилі. Найбільш активними є фіолетові промені, найменш активною є червона частина спектра.

При поглинанні світла молекулами речовини посилюється коливальний рух атомів і атомних груп, послаблюється зв’язок між ними, тобто молекули переходять в активний, збуджений стан. У деяких випадках енергія фотону достатня для розриву внутрішньомолекулярних зв’язків.

Між кількістю поглинутої енергії при фотохімічній реакції і кількістю речовини, що прореагувала існує залежність, яка виражається законом фотохімічної еквівалентності Ейнштейна (1912) р.

За цим законом кожна молекула, що реагує під дією світла, поглинає один квант випромінювання, який викликає реакцію.

Експериментальна перевірка закону фотохімічної еквівалентності показала, що іноді число молекул, які прореагували, не дорівнює числу поглинутих квантів. Тому для кінетичної характеристики фотохімічних реакцій введено поняття квантового виходу.

Квантовим виходом фотохімічної реакції æ називається відношення числа молекул N, що прореагували, до числа поглинутих квантів світла n:

N

æ = n

За законом фотохімічної еквівалентності квантовий вихід повинен = 1, але зустрічаються реакції, у яких він або > 1, або < 1.

Відхилення від закону фотохімічної еквівалентності пов’язані з різними вторинними процесами. Так æ < 1 спостерігається в тих випадках, коли частина фотонів поглинається молекулами сторонніх речовин, що знаходяться в суміші з реагуючими речовинами.

æ > 1 може бути обумовлений тим, що перетворення, визвані поглинанням молекулою кванту світла, приводять до утворення активних частинок, які вступають у вторинні “теплові” реакції. Наприклад, при

фотохімічному розкладанні бромоводню первинний процес зводиться до дисоціації його на атоми:

Н Вr hν Н⁺ + Вr^-

Потім ідуть вторинні реакції:

Н Вr + Н⁺ Н₂ + Вr; Вr^- + Вr^- Вr₂

Загальна схема процесу:

Н Вr hν Н₂ + Вr₂ æ =2

Таким чином, відхилення від закону фотохімічної еквівалентності викликаються вторинними процесами.

Первинні ж перетворення, безпосередньо пов’язані з поглинанням світла, добре описується законом Ейнштейна.