5 Фотохимические реакции

Химические реакции, протекающие под воздействием светового излучения, называются фотохимическими реакциями. К наиболее важным фотохимическим реакциям относятся реакции образования озона из молекулярного кислорода под действием ультрафиолетовой радиации Солнца:

О₂ + h O

O + O₂ O₃ + O

Образующийся при этом озон О₃ поглощает ультрафиолетовые лучи в области 250-260 ммк, которые губительно действуют на живые организмы. К другой важной фотохимической реакции относится фотосинтез, в результате которого происходит поглощение растениями углекислого газа из атмосферы и выделение кислорода. Фотохимическое разложение бромида серебра лежит в основе фотографического процесса.

Энергия фотона (кванта излучения) (Е) определяется соотношением

E = h ,

где h – постоянная Планка (h 6,626 10 Дж∙с); – частота излу-чения, с . Длина волны видимого света, инфракрасных и ультрафио-летовых лучей лежит в интервале от 100 нм до 1000 нм, а энергия их – от 120 кДж/моль до 1200 кДж/моль. Квант излучения поглощается одним единственным электроном атома в молекуле, вследствие чего этот электрон переходит на более высокий энергетический уровень. В результате возможны три различных последствия поглощения энергии в виде излучения:

1. Атом или молекула переходят в возбужденное состояние:

А + h A^*

М + h М^*

2. Диссоциация молекулы с образованием атомов или свободных радикалов:

АВ + h A + B

3. Образование простых или молекулярных ионов путем отрыва одного электрона:

А + h A⁺ +

AB + h AB⁺ +

Все эти процессы подчиняются следующим законам.

1. Фотохимические реакции могут быть вызваны только той частью падающего излучения, которая поглощается реагирующей системой (закон Гротгуса - Дрепера).

2. Каждый поглощенный квант излучения вызывает превращение только одной молекулы (закон Эйнштейна - Штарка).

3. Количество образующегося в результате фотохимической реакции продукта пропорционально интенсивности поглощенного излучения и времени облучения (закон Вант-Гоффа).

Последний закон можно представить в математической форме:

m = k t,

где m – масса фотохимически превращенного вещества, г; - мощность поглощенного излучения, т.е. количество энергии, которое переносит световой поток через единицу площади в единицу времени, Дж/с; t – время облучения, с.; k – константа скорости реакции., г/Дж.

При опытной проверке 1-го и 2-го законов иногда наблюдается кажущееся несоответствие. Во-первых, число поглощенных квантов бывает не равно числу прореагировавших молекул вещества, т.е. как бы нарушается закон Эйнштейна-Штарка. Поэтому для характеристики фотохимических процессов введено понятие квантового выхода , который равен отношению числа действительно прореагировавших молекул к числу поглощенных квантов. Величина меняется в интервале от 10^-3 до 10⁶. При <1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 в системе протекает цепная реакция. В этом случае поглощенный квант излучения вызывает появление одной активной частицы, которая в дальнейшем создает цепь вторичных превращений.

Во-вторых, некоторые вещества не поглощают света в видимой или ультрафиолетовой области, тем не менее, они способны претерпевать превращение при облучении. Таким образом, как бы нарушается закон Гротгуса. Оказалось, что в этом случае квант излучения поглощается особыми веществами – фотосенсибилизаторами, которые передают поглощенную энергию другому веществу, которое и претерпевает в результате этого химическое превращение. Следовательно, нарушение закона Гротгуса является лишь кажущимся. Например, молекулярный водород не поглощает световое излучение с длиной волны 253,7 нм. Однако при облучении смесь паров ртути и водорода, наблюдается процесс диссоциации молекул водорода на атомы:

Hg + h Hg^*

Hg^* + H₂ Hg + H + H

Аналогичным фотосенсибилизированным процессом является фотосинтез – синтез углеводов из оксида углерода (IV) и воды, сопровождающийся выделением кислорода. В качестве сенсибилизатора данной фотохимической реакции выступает молекула хлорофилла. Причем хлорофилл b улавливает и собирает энергию светового излучения. После фотовозбуждения он передает избыточную энергию молекуле хлорофилла а, которая затем принимает непосредственное участие в процессе фотосинтеза.

Суммарный процесс фотосинтеза выражается реакцией:

6СО₂ + 6Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О, G⁰ = 2861,9 кДж/моль

Фотосинтез – сложный окислительно-восстановительный про-цесс, сочетающий фотохимические реакции с ферментативными. В механизме фотосинтеза различают две стадии – световую и темно-вую. Световая стадия включает собственно фотохимические реакции и сопряженные ими ферментативные, которые завершают окисление воды и образуют восстановленный никотинамид-адениндинуклеотид-фосфат (НАДФН₂) и аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). В темновой стадии НАДФН₂ и АТФ восстанавливают молекулу СО₂ до СН₂О и далее образуется моносахарид в цикле сопряженных ферментативных реакций, которые идут без участия кванта излучения.