Фотохімічні реакції - студопедія

Фотохімічними називають реакції, які відбуваються під дією світла. Оскільки будь-які хімічні реакції обумовлені процесами, що відбуваються з валентними електронами, то очевидно, що хімічна дія світла визначається його взаємодією з електронами, що знаходяться на зовнішніх: шарах електронних оболонок атомів. Оскільки кількість поглиненої енергії пропорційно твору потоку випромінювання Фе на час, протягом якого тіло піддається освітленню (т. Е. Доза випромінювання), то очевидно, що різні світлові потоки виробляють однакову фотохімічні дію, якщо Ф1 Dt1 = Ф2 Dt2. Це положення є основним закон фотохімії і називається законом Бунзена і Роско.

Число j. що показує, яка частина фотонів N із загального числа фотонів, поглинутих тілом N П. викликала фотохімічні процеси, називають квантовим виходом реакції j = N / N П. Якщо кожен поглинений фотон викликає реакцію, то квантовий вихід дорівнює 100%. Однак зазвичай він не перевищує декількох відсотків або часток відсотка. Наприклад, квантовий вихід реакції інактивації ферментів становить приблизно 0,1-0,01%.

Слід розрізняти первинні і вторинні фотохімічні реакції, так як багато хто з прореагировавших з фотонами молекул дають початок іншим реакцій, що відбуваються з сусідніми молекулами. Ейнштейн показав, що кожної прореагировавшей молекулі відповідає тільки один поглинений фотон, а отже, число прореагировавших молекул в первинної фотохімічної реакції пропорційно числу поглинених фотонів.

ТИПИ фотохімічної реакції

Фотопрісоедіненіе. До порушеній атому або молекули приєднуються нейтральні молекули. Позначимо вступають в реакцію молекули А і В, а порушені молекули відповідно А * і В *.

До цього типу реакцій належать:

а) фотодімерізація або фотополімеризація, що протікають за схемою A + A + hn ®A + A * ® AA *;

б) фотооксідірованіе A + O2 + hn ®A * + O2 ® OAO;

в) фотогідратація A + H2 O + hn ® A * + Н2 О®НАОН і ін.

Фоторозпаду. Він відбувається з розривом хімічних зв'язків на радикали, іони або нейтральні молекули

Подібні реакції спостерігають при опроміненні великими дозами ультрафіолету амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, і зазвичай за ними слідують різні вторинні реакції. Прикладом фоторозпаду можуть служити дуже важливі для життя на Землі киснево-Озон реакції. Під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця в стратосфері відбувається дисоціація молекул кисню: O2 + hn ®2O. Утворилися активні атоми кисню приєднуються до молекул кисню і утворюють озон: O + O2 ®O3. Розкладання озону відбувається також шляхом фотохімічної реакції: O3 + hn ®O2 + O. Обидва ці процеси призводять зрештою до утворення на висоті близько 25 км шару озону товщиною 2-3 км. На великих висотах озону утворюється мало через незначну концентрацію кисню в стратосфері, а до нижчих шарів атмосфери доходить набагато менше ультрафіолетового випромінювання, здатного викликати вищенаведені реакції. Шар озону в стратосфері майже повністю поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця з довжинами хвиль менше 290 нм, яке призвело б до загибелі живих істот на нашій планеті (у всякому разі, на її поверхні). Крім того, озон має ще смугу поглинання в інфрачервоній області з довжиною хвилі близько 10 мкм, а саме на цю частину спектра припадає максимум теплового випромінювання Землі. Таким чином, озон затримує 20% теплового випромінювання планети і служить свого роду тепловим екраном, що зменшує теплові втрати Землі. в космічний простір. На жаль, слід зазначити, що в останні десятиліття відбувається часткове руйнування озонового шару за рахунок промислового виробництва і висотної авіації, що викидають в атмосферу оксиди азоту та інші хімічні сполуки. Над Антарктидою за останні роки утворилася «озонова діра» площею до 5 млн км 2. Якщо «діра» буде розширюватися в бік населених територій, то це може привести до зростання різних захворювань серед людей і тварин і до інших, поки ще непередбачуваних екологічних наслідків.

До числа широко відомих реакцій фоторозпаду відноситься реакція розкладання бромистого срібла в фоточутливих матеріалах. Під дією фотона з молекули бромистого срібла видаляється електрон, і з'єднує молекулу іонна зв'язок розривається, в результаті чого утворюються дрібні частинки металевого срібла, що створюють так зване приховане зображення. Видиме зображення виходить після обробки фотоматеріалу в проявнику, який викликає посилене виділення металевого срібла в місцях прихованого зображення.

Фотосинтез. Це фотохімічна реакція синтезу органічних речовин з вуглецю неорганічних сполук і води з утворенням вільного молекулярного кисню, що протікає в рослинах і бактеріях за участю хлорофілів і деяких інших пігментів (каротиноїди, каротинол і ін.), Які грають роль каталізаторів. У рослинах вуглець, поглинається у вигляді СО2. Фотони розривають міцний зв'язок між киснем і вуглецем в молекулі СО2. і при цьому утворюються вуглеводні, здатні до подальшого окислення в організмі тварин. У найпростішому випадку, коли в рослинах кінцевими продуктами фотосинтезу є вуглеводні, цей процес, минаючи проміжні стадії, можна представити наступною реакцією: CO2 + H2 O + hn ®СН2 Про + О2 + 469 кДж / моль.

Продукти цієї реакції - кисень і вуглевод, з якого утворюється глюкоза (СН2 = 1 êб Сб Н12 ПРО6). Реакція фотосинтезу обратна реакції, яка відбувається при диханні, тобто утворення СО2 і Н2 Про з органічних сполук і кисню.

Фотосинтез відрізняється від інших фотохімічних процесів тим, що він призводить до акумулювання енергії світла у вигляді вільної енергії хімічних зв'язків в СН2 О і надалі в глюкозі, так як вільна енергія СН2 Про більше вільної енергії СО2 і Н2 О на 469 кДж / моль. Фотосинтез тому є єдиним процесом, за допомогою якого органічний світ поповнює свої запаси вільної енергії за рахунок енергії сонячного випромінювання, в той час як в процесах життєдіяльності ця вільна енергія безперервно витрачається. Істотна відмінність фотосинтезу від інших біохімічних реакцій, що відбуваються в темряві (наприклад, від синтезу білка в клітинах тварин), полягає в тому, що тільки при фотосинтезі складні речовини виходять безпосередньо з таких простих речовин, як вода і СО2. У всіх інших процесах в клітці синтез одних речовин пов'язаний з розпадом інших, оскільки необхідна для синтезу енергія черпається за рахунок енергії розпаду цих речовин.

Механізм фотосинтезу достатньо складний і розглядається в спеціальних курсах. Коротенько суть його зводиться до того. що пігменти в хлоропластах рослин поглинають фотони і їх молекули переходять в збуджений стан; при цьому частина енергії випромінюється в актах люмінесценції і частина переходить в теплоту. Слідом за цим відбувається ряд процесів, в яких енергія збуджених молекул пігментів витрачається на перенесення електронів, окислення молекул води з виділенням вільного молекулярного кисню і накопиченням відновлених піридиннуклеотидів і АТФ. Ці багаті енергією з'єднання вступають в ряд темпових реакцій, що призводять до зв'язування і відновлення СО2. Вважається, що на освіту однієї молекули О2. т. е. на перебіг вищенаведеної сумарною реакції, витрачається 8 фотонів, тобто квантовий вихід реакції j = 1 ê8

Існують реакції фотосинтезу, що протікають і без виділення О2. наприклад у деяких мікроорганізмів: 2H2 S + CO2 + hn - * CH2 O + H2 O + 2S. Ця реакція характерна для пурпурних і зелених серобактерий.

Фотосинтез має виключно важливе значення для життя на нашій планеті. В одну хвилину сонячне світло приносить на поверхню Землі 2 × 10 24 Дж енергії. Близько 2%, тобто 4 х 10 22 цієї енергії, поглинається фотосинтезуючими речовинами. При цьому поглинається 2 × 10 12 т СО2 і виділяється 1,3 × 10 11 т кисню щорічно. Цей кисень - основний, якщо не єдине джерело, що підтримує кисневий баланс земної атмосфери. За рахунок фотосинтезу щорічно на Землі в перерахунку на вуглець синтезується »1011 т органічних речовин. До 80% цієї кількості припадає на частку фотосинтезу в фітопланктоні в морях і океанах. Про роль фотосинтезу писав ще в 1879 р великий український вчений К. А. Тімірязєв: «Навряд чи який процес, що відбувається на поверхні Землі, заслуговує в такій мірі загальної уваги, як той далеко ще не розгаданий процес, який відбувається в зеленому листі, коли на нього потрапляє промінь Сонця. Розглянутий з хімічної точки зору - це процес, в якому неорганічне речовина, вуглекислота і вода перетворюються в органічне. Розглянутий з фізичної точки зору - це той процес, в якому жива сила сонячного променя перетворюється в хімічну напругу, в запас роботи. Розглянутий з тієї чи іншої сторони - це процес, від якого в кінцевій інстанції залежать усі прояви життя на нашій планеті, а отже, і добробут всього людства ». Ці чудові слова К. А. Тімірязєва особливо актуальні в наш час, коли вирубуються ліси, зелене листя яких живлять киснем нашу планету, і коли забруднюються океани і гине фітопланктон - основний споживач сонячної енергії в океанах і джерело живлення, що лежить в основі океанського екологічного циклу . Без активної боротьби за охорону навколишнього середовища може порушитися екологічну рівновагу, найважливіший елемент якого - фотосинтез.

Фотоизомеризации і деякі інші реакції. Нагадаємо. що изомерами називають хімічні сполуки, що володіють однаковим складом, але різняться по розташуванню в них) атомів або груп атомів в просторі. Ізомери можуть бути різних видів. Зокрема, в геометричних ізомери групи атомів по-різному розташовані щодо подвійного зв'язку С = С. Такі, наприклад, ізомери 1,2-діхлоретілена.

Обидві ізомерні форми розрізняються деякими фізичними і хімічними властивостями. Наприклад, температури кипіння цис- і транс-ізомерів 1,2-діхлоретілена рівні відповідно 60,1 і 48,4 ° С. Зазвичай один з ізомерів менш стійкий і переходить в інший ізомер під дією певних фізичних факторів: нагрівання, освітлення та ін. Одна з важливих фотобиологических реакцій ізомеризації відбувається в сітківці ока.

Фотохімічні реакції лежать в основі багатьох фотобиологических процесів, первинним актом в яких є поглинання фотона, за яким слід довгий ланцюжок перетворень приблизно в такій послідовності: перехід хромофорних молекулярних груп в збуджений стан ® еміграція енергії збудженого стану від однієї групи молекул до іншої ® первинний фотофізичних процес і поява первинних фотопродуктов ® проміжні процеси ® утворення первинних стабільних хімічних продуктів ® біохімічні процес ® кінцевий фотобиологический ефект. Розгляд всіх цих складних процесів є предметом одного з розділів біофізики - фотобиологии.