Фотохимические реакции

К фотохимическим относятся реакции, обуславливаемые действием лучистой энергии, главным образом, видимой части спектра электромагнитного излучения. Например, смесь газов водорода и фтора при ее освещении реагирует со взрывом; бромид серебра на свету разлагается с выделением металлического серебра; синтез сложных органических веществ растениями в процессе их жизнедеятельности также имеет фотохимическую основу (фотосинтез) и т.д.

Очевидно, что на химическое состояние вещества может влиять то излучение, фотоны которого имеют энергию не ниже значений энергии химической связи, составляющей, в основном, 40 – 400 кДж/моль, что соответствует 1–10 эв (электронвольт) на одну связь.

Фотоны, энергия которых лежит в указанных пределах, могут быть названы фотохимическими. Они возбуждают молекулу (ослабляют связи), вызывают перестройку ее внутренней структуры, разрыв старых внутримолекулярных связей и формирование новых, таким образом образуются новые молекулы – продукты реакции. Часто разрыв связей в молекулах приводит к образованию отдельных атомов или радикалов, обладающих очень высокой реакционной способностью, что инициирует цепные реакции.

Фотохимические фотоны отвечают очень узкой области длин волн электромагнитного излучения, приблизительно 1000 – 10000А⁰, что и отвечает квантам с энергиями порядка десятка электронвольт.

Некоторые примеры реакций, способных протекать фотохимическим путем (в скобках приведены длины волн излучения в ангстремах, вызывающие эти реакции):

1) 2NH₃ «N₂ + 3H₂ (2141)

2) 2CO + O₂ «2CO₂ (1470)

3) 2HI «H₂ + I₂ (2000-2800)

4) H₂S «H₂ + S (2080)

В принципе, инициировать протекание подобных реакций можно и за счет повышения температуры. Однако, аналогичный эффект может быть достигнут только при температурах порядка 1000 - 1500⁰С, что, чаще всего, невыгодно по технологическим и экономическим соображениям.

Фотохимических реакций очень много. Важнейшим процессом в природе, значение которого невозможно переоценить, является фотосинтез в растениях. Под воздействием энергии солнечной радиации в зеленом листе растения протекает целый комплекс синтетических процессов, исходным материалом для которого служат углекислый газ, вода, минеральные соли. Конечными продуктами являются крахмал, клетчатка, белки, жиры и другие сложные органические вещества. Процесс фотосинтеза осуществляется при непосредственном участии важнейшего природного фотокатализатора – хлорофилла, а также многих других окислительно-восстановительных ферментов (биокатализаторов).

Процесс фотосинтеза простейшего углевода – глюкозы C₆H₁₂O₆ – можно представить в виде следующего суммарного уравнения:

6CO₂ + 6H₂O ® C₆H₁₂O₆ + 6O₂ - 161 кДж

Масса органического вещества, синтезируемая растениями ежегодно, достигает многих сотен миллиардов тонн. Подсчитано, что из углекислого газа воздуха ежегодно фотосинтетически усваивается приблизительно 1,75 10¹¹ тонн углерода, что эквивалентно десятку богатых (с запасами 5-7 млрд. тонн) месторождений угля. Одновременно в атмосферу возвращается около 4,7 10¹¹ тонн газообразного кислорода (всего в воздухе содержится 1,3 10¹⁵ тонн кислорода, что, как считается, имеет биогенное происхождение, т.е. является продуктом фотосинтетического процесса).

Схожим процессом является фоторедукция, составляющая основу углеродистого питания микроорганизмов. Отличие от фотосинтеза состоит в том, что газообразный кислород не выделяется (остается химически связанным в продуктах реакции).

Процесс фоторедукции имеет место, например при жизнедеятельности определенного вида бактерий, выделяющих серу из сероводорода по схематическому уравнению

CO₂ + 2H₂S ® CH₂O + H₂O + 2S

Еще одним важнейшим процессом, играющим важнейшую роль для сохранения жизни на земле, является процесс образования озона в верхних слоях атмосферы. За счет коротковолновой составляющей солнечной радиации протекает фотохимический процесс (звездочкой отмечены возбужденные молекулы):

O₂ ® O₂*; O₂ + O₂* ® O₃ + O

Таким путем в атмосфере возникает зона, относительно богатая озоном. Последний поглощает и, таким образом, не пропускает на поверхность земли губительную для человека и всего живого составляющую солнечной радиации - лучи с длиной волны 2500 - 2600 А⁰.