Fotochimie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Fotochimia este o ramură a chimiei care se ocupă de reacțiile chimice induse de interacțiunea luminii (în special a ultravioletei , a luminii vizibile și a infraroșului apropiat) cu materia.

Reacțiile fotochimice sunt valoroase în chimia organică și anorganică, deoarece acestea procedează diferit față de reacțiile termice. În ele, energia necesară pentru ca reacția chimică să aibă loc este, prin urmare, furnizată de fotonii absorbiți de reactanți, care poartă anumite grupuri chimice numite cromofori , capabili să absoarbă lumina. Fotocatalizatorii sunt catalizatori adecvați , care sunt activați cu lumină.

Multe procese importante implică fotochimie. Multe reacții redox sunt catalizate de lumină, în timp ce un exemplu notabil al posibilităților fotochimiei este cel al fotosintezei cu clorofilă , în care plantele formează amidon și oxigen pornind de la apă și dioxid de carbon datorită proceselor de lumină pe clorofilă .

Principii

Două legi fundamentale ale fotochimiei sunt următoarele:

Lumina este un tip de radiație electromagnetică , o sursă de energie. Legea Grotthus-Draper (de la chimiștii Theodor Grotthuss și John W. Draper ) afirmă că lumina trebuie absorbită de o substanță chimică pentru a avea loc o reacție fotochimică . Pentru fiecare foton de lumină absorbit de un sistem chimic, nu se activează mai mult de o moleculă pentru o reacție fotochimică, așa cum este definit de randamentul cuantic .

Reacțiile chimice apar numai atunci când unei molecule i se dă „ energia de activare ” necesară. Un exemplu simplu ar fi arderea benzinei (o hidrocarbură ) în dioxid de carbon și apă. În această reacție, energia de activare este furnizată sub formă de căldură sau scânteie. În cazul reacțiilor fotochimice, lumina furnizează energia de activare. Pur și simplu, lumina este un mecanism care asigură energia de activare necesară pentru multe reacții. Dacă este utilizat un laser , este posibil să se excite selectiv o moleculă pentru a produce starea electronică și vibrațională dorită. La fel, emisiile dintr-o anumită stare pot fi monitorizate selectiv, oferind o măsură a stării respective. Dacă sistemul chimic are presiune scăzută, acest lucru permite oamenilor de știință să observe distribuția energetică a produselor unei reacții chimice înainte ca diferențele de energie să fie murdare și medii datorită coliziunilor repetate.

Absorbția unui foton de lumină de către o moleculă care reacționează poate permite, de asemenea, să aibă loc o reacție nu numai prin aducerea moleculei la energia de activare necesară, ci și prin schimbarea simetriei configurației electronice a moleculei, ceea ce permite o altfel cale de reacție inaccesibilă, așa cum este descris de regulile Woodward-Hoffmann . O reacție de cicloadiție [2 + 2] este un exemplu de reacție periciclică care poate fi analizată folosind aceste reguli sau teoria orbitalilor moleculari .

Reacțiile fotochimice implică reorganizarea electronică inițiată de radiațiile electromagnetice. Reacțiile sunt cu câteva ordine de mărime mai rapide decât reacțiile termice; sunt adesea observate reacții cu o viteză de 10 −9 secunde și procese asociate cu o viteză de 10 −15 secunde.

Regiuni spectrale

Fotochimistii folosesc de obicei doar anumite secțiuni ale spectrului electromagnetic . Unele dintre cele mai utilizate secțiuni și lungimile lor de undă sunt următoarele:

Reacții fotosintetice în natură

Primul exemplu este fotosinteza , în care majoritatea plantelor folosesc energia solară pentru a converti dioxidul de carbon și apa în glucoză , producând oxigen ca produs secundar.

Oamenii se bazează pe fotochimie pentru biosinteza vitaminei D.

Viziunea apare datorită unei reacții fotochimice a rodopsinei . [1]

La licurici , o enzimă din abdomen catalizează o reacție care duce la bioluminescență . [2]

Aplicații tehnice

Procesele fotochimice sunt utilizate la producerea filmului fotografic care este acoperit cu o gelatină care conține boabe mici de bromură de argint care inițiază reacția atunci când lumina lovește filmul. În acest caz, se spune că bromura este „sensibilizată”. Reacția duce la conversia bromurii de argint în argint metalic. Pentru a elimina particulele de bromură nesensibilizată, se folosesc apoi așa-numitele „fixatoare” sau „fixări” ale substanțelor chimice.

O reacție fotochimică similară cu cea a filmului fotografic are loc și în hârtia tipar , care este acoperită cu citrat de feramoniu și fericianură. Odată lovite de lumină, citrații se transformă într-o fericianură albastră intensă.

Reacțiile fotochimice nu numai că sunt foarte utile, dar pot fi și foarte enervante sau dăunătoare, ca în cazurile de fotodegradare a multor materiale. De exemplu, țesăturile întunecate sunt estompate de lumina soarelui. Recipientele din sticlă pentru medicamente sunt adesea realizate cu sticlă colorată pentru a preveni fotodegradarea medicamentelor.

Multe polimerizări sunt inițiate de fotoinițiatori care se descompun prin absorbția luminii pentru a produce radicali liberi pentru polimerizare radicală .

O reacție omniprezentă este generarea de oxigen singlet din reacțiile de oxigen triplet fotosensibilizate. Fotosensibilizatorii tipici includ tetrafenilporfirină și albastru de metilen . Oxigenul singlet rezultat este un oxidant agresiv, capabil să transforme legăturile CH în grupări C-OH.

În terapia fotodinamică , lumina este utilizată pentru a distruge tumorile prin acțiunea oxigenului singlet.

O aplicație pe scară largă a fotochimiei este tehnologia fotorezistentă , utilizată la producerea componentelor microelectronice.

Experimente

Reacțiile fotochimice necesită o sursă de lumină care emite lungimi de undă corespunzătoare unei tranziții electronice în reactiv. În primele experimente privind reacțiile fotochimice, precum și în viața de zi cu zi, sursa de lumină a fost lumina soarelui, deși aceasta este policromatică.Lămpile cu vapori de mercur sunt frecvente în laborator. Lămpile cu vapori de mercur de joasă presiune emit în principal la 254 nm. Pentru surse policromatice, variațiile lungimii de undă pot fi selectate folosind filtre. Alternativ, lămpile LED și Rayonets produc emisii monocromatice.

Lumina emisă trebuie să ajungă în mod evident la grupul funcțional fără a fi blocată de reactor sau de alte grupuri funcționale prezente. Pentru multe aplicații, cuarțul este utilizat pentru balasturi și pentru a conține lampa. Pyrex absoarbe la lungimi de undă sub 275 nm. Solventul este un parametru experimental important. Solvenții sunt potențiali reactivi și din acest motiv se evită solvenții clorurați deoarece legătura C-Cl poate duce la clorurarea substratului. Solvenții puternic absorbanți pot împiedica fotonii să ajungă la substrat. Solvenții de hidrocarburi se absorb doar la lungimi de undă scurte și, prin urmare, sunt preferați pentru experimentele fotochimice care necesită fotoni cu energie mare. Solvenții care conțin soluții saturate se absorb la lungimi de undă lungi și pot filtra lungimi de undă scurte.

Reacții fotochimice

Notă

  1. ^ Christophe Dugave Cis-trans izomerizarea în biochimie , Wiley-VCH, 2006 ISBN 3-527-31304-4 p. 56
  2. ^ David Stanley Saunders Ceasuri de insecte , Elsevier, 2002, ISBN 0-444-50407-9 p. 179

Bibliografie

  • P. Atkins, J. De Paula, „Chimie fizică” , Oxford University Press, 2006 (ediția a VIII-a), ISBN 978-0-19-870072-2
  • V. Balzani, P. Ceroni, A. Juris, "Fotochimie și fotofizică: concepte, cercetare, aplicații", Wiley, 2014, ISBN 978-3-527-33479-7

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 19320 · LCCN (EN) sh85101143 · GND (DE) 4045873-8 · BNF (FR) cb11933110s (dată) · NDL (EN, JA) 00.566.236