фотохімічні процеси

За природою фотохімічні процеси можна розділити на прямі і сенсибілізовані. У прямій реакції випромінювання поглинається одним або декількома речовинами, які беруть участь в реакції. У сенсибілізованої реакції випромінювання поглинає певну речовину, збуджує реакцію, але саме в реакції не бере. У кожній фотохімічної реакції розрізняють три стадії: поглинання світла і перехід молекули в електронно-збуджений стан; первинні фотохімічні процеси за участю збуджених молекул і утворенням первинних фотохімічних продуктів; вторинні реакції речовин, що утворилися в первинному процесі.

Світловий потік складається з. окремих порцій енергії - фотонів. Продуктами першої стадії фотохімічного процесу можуть бути короткоживучі ізомери, що володіють підвищеною електронною енергією, атоми і радикали. Часто вони мають неспарені електрони і легко беруть участь у вторинних реакціях. У вторинних реакціях відбуваються перетворення первинних продуктів реакції. Передача збудження від однієї молекули до іншої називається сенсибілізацією, а речовина, що поглинає світло і виступає в ролі переносника енергії, називають фотосенсибілізатором.

Сам фотосенсибілізатор в реакції не змінюється. Іноді порушені молекули реагують з іншими молекулами, присутніми в процесі з утворенням стабільних продуктів реакції. Фотохімічні реакції протікають як в природі, так і в промисловості. Залежно від ролі і характеру впливу світла фотохімічні процеси умовно можна розділити на три групи.

До першої групи належать реакції, які мимоволі можуть протікати після поглинання реагентами світлового імпульсу. Для цих процесів світло грає роль збудника і ініціатора (екзотермічні процеси, які мають зазвичай ланцюговий характер). До таких процесів відносяться:

хлорування і бромування вуглеводнів. Наприклад, хлорування метану з утворенням хлорпроізводних метану:

СН4 + СL - СН3СL + СL2 - СН2Сl2 + СL2 - СНСL3 + СL2 - ССl4

синтез деяких полімерів. наприклад процес полімеризації стиролу з утворенням полістиролу: nCH2 = CH - C6H5 - [-CH2-CH-C6H5],

При звичайних умовах ця реакція протікає вкрай повільно, але при висвітленні сонячним світлом або нагріванні реакція супроводжується вибухом.

Виходить ланцюг послідовних реакцій, коли при кожній взаємодії активний центр утворює крім молекули продукту реакції ще один новий активний центр.

Радянський академік Н. Н. Семенов спільно з співробітниками висунув теорію розгалужених ланцюгових реакцій, коли при взаємодії радикала з молекулою вихідної речовини утворюється не один, а два і більше нових активних центрів. Ланцюг розгалужується, і реакція швидко прискорюється.

До другої групи фотохімічних процесів відносяться процеси, для проведення яких необхідний безперервний підведення світлової енергії до реагентів. При усуненні світла процес припиняється.

До процесів такого типу можна віднести:

-процеси, що протікають в живій клітині;

-процес природного фотосинтезу, пов'язаний з поглинанням світла пігментом рослин - хлорофілом;

-процес утворення електричного струму в сонячних батареях - один із напрямів використання сонячної енергії.

Найбільш поширені, особливо в космічній техніці, кремнієві фотоперетворювачі. Ще один напрямок використання сонячної енергії пов'язано з перетворенням сонячного випромінювання в теплову енергію з метою опалення будівель, кондиціонування повітря і т. Д. На світлочутливості галоїдних сполук солей срібла заснований процес зображення у фотографії.

До третьої групи належать хімічні процеси, що протікають під дією світла - фотокаталітичні реакції. Світло в цих процесах поглинається не реагують речовинами, а каталізатором, який пришвидшує процес.

Під дією світла відбувається збудження електронів атомів, розташованих на поверхні каталізатора, і зниження енергії активації реакції. Як фотокаталізаторів використовуються деякі напівпровідникові метали (оксиди цинку, міді, кадмію, олова), нанесені на основу. До фотокаталітичним процесів відносяться:

синтез органічних речовин, наприклад, отримання карбонових кислот шляхом реакції окислення RGOH + О - RCOOH (окислювач - перманганат калію або хромова суміш); реакція розкладання пероксиду водню 2Н2О2 - 2Н2О + О2 + Q (каталізатором є з'єднання металів - міді, заліза, марганцю, нанесені на основу).

Більшість продуктів реакції, що утворюються при фотохімічних процесах, можуть бути отримані і іншими методами.

Доцільність і поширеність застосування фотохімічних процесів пояснюється перевагами їх перед термічними: можливість точного регулювання ступеня збудження молекул; висока селективність реакції; можливість активувати тільки певну групу або зв'язок в молекулі зміною ступеня випромінювання; можливість синтезу термодинамічних нестійких з'єднань; процеси мало залежать від температури; швидкість реакції легко регулюється; високий ступінь чистоти одержуваного продукту.