Російськийхіміко-технологічний
університет ім.Д.І. Менделєєва
Кафедра ХВЕ і РЕ
Реферат на тему
В«Прикладнафотохімія В»
Москва 2009р.
Введення
Фотохімія - наука про хімічнихперетвореннях речовин під дією електромагнітного випромінювання: ближньогоультрафіолетового (~ 100-400 нм), видимого (400-800 нм) і ближньогоінфрачервоного (0,8 - 1,5 мкм).
Дослідження хімічного діївипромінювання на різні речовини і спроби його теоретичного тлумачення почалисяз кінця 18 ст., коли Дж. Сенебье висловив припущення про те, що необхіднадля досягнення певного хімічного ефекту тривалість діїсвітла обернено пропорційна його інтенсивності. У 19 в. паралельновідбувалося відкриття нових реакцій органічних і неорганічних речовин піддією світла і фізико-хімічне дослідження механізму та природифотохімічних реакцій. У 1818 T. Гротгуса відкинув гіпотезу про тепловому діїсвітла, припустивши аналогію у впливі на речовину світла та електрики ісформулювавши принцип, згідно з яким причиною хімічного дії можебути тільки той світ, який поглинається речовиною (закон Гротгуса).Подальшими дослідженнями було встановлено, що кількість продуктуфотохімічної реакції пропорційно добутку інтенсивності випромінювання начас його дії (P. Бунзен і Г. Роско, 1862) і що необхідно враховуватиінтенсивність тільки поглиненого, а не всього падаючого на речовину випромінювання(Я. Вант-Гофф, 1904). Одне з найважливіших досягнень фотохімії - винахідфотографії (1839), заснованої на фотохімічному розкладанні галогенідів срібла.
Принципово новий етап у розвиткуфотохімії почався в 20 в. і пов'язаний з появою квантової теорії і розвиткомспектроскопії. А. Ейнштейн (1912) сформулював закон квантовоїеквівалентності, згідно з яким кожен поглинений речовиною фотон викликаєпервинне зміна (збудження, іонізацію) однієї молекули або атома.Внаслідок конкуренції хімічних реакцій збуджених молекул і процесів їхдезактивації, а також зворотного перетворення нестабільних первинних продуктів ввихідна речовина, хімічні перетворення зазнає, як правило, лишедеяка частка збуджених молекул. Відношення числа претерпевших перетвореннямолекул до числа поглинених фотонів - квантовий вихід фотохімічної реакції.Квантовий вихід, як правило, менше одиниці; однак у випадку, наприклад, ланцюговихреакцій він може у багато разів (навіть на кілька порядків) перевищувати одиницю.
У Росії велике значення мали на початку20 в. роботи П.П. Лазарєва в області фотохімії барвників і кінетики фотохімічнихреакцій. У 40-і рр.. А.Н. Теренін була висловлена ​​гіпотеза про триплетного природіфосфоресцентного стану, який відіграє важливу роль у фотохімічних реакціях, івідкрито явище триплет-триплетного перенесення енергії, що становить основу одногоз механізмів фотосенсибілізації хімічних реакцій.
Використання досягнень квантовоїхімії, спектроскопії, хімічної кінетики, а також поява нових експериментальнихметодів дослідження, в першу чергу методів вивчення дуже швидких (до 10 -12 з) процесів і короткоживучих проміжних речовин, дозволило розвинутидетальні уявлення про закони взаємодії фотонів з атомами імолекулами, природі порушених електронних станів молекул, механізмахфотофізичних і фотохімічних процесів. Фотохімічні реакції протікають,як правило, з порушених електронних станів молекул, що утворюються припоглинанні фотона молекулою, що знаходиться в основному (стабільному) електронномустані. Якщо інтенсивність світла дуже велика [більше 1020 фотонів/(с В· см 2 )],то шляхом поглинання двох або більше фотонів можуть заселятися вищі збудженіелектронні стани і спостерігаються дво-і Багатофотонні фотохімічні реакції.Збуджені стани не є лише "гарячої" модифікацією їхосновного стану, несучої надлишкову енергію, а відрізняються від основногостану електронною структурою, геометрією, хімічними властивостями, томупри збудженні молекул відбуваються не лише кількісні, але і якісні,зміни їх хімічного поведінки. Первинні продукти реакцій збудженихмолекул (іони, радикали, ізомери і т.п.) найчастіше є нестабільними іперетворюються в кінцеві продукти дуже швидко.
Для якісного і кількісногодослідження продуктів використовують всілякі аналітичні методи, в т. ч.оптичну спектроскопію та радіоспектроскопії. Для визначення дози опромінення іквантових виходів застосовують актинометрія. Властивості короткоживучих збудженихстанів зазвичай вивчають методами оптичної емісійної (флуоресцентною іфосфоресцентной) і абсорбційної спектроскопії. Особливо велике значення длядослідження механізмів фотохімічних реакцій мають імпульсні методи:імпульсний фотоліз, лазерна спектроскопія та ін Ці методи дозволяють вивчатикінетику первинних реакцій збуджених молекул, нестабільні проміжніпродукти і кінетику їх перетворень.
Практичне застосування фотохімії пов'язаноз фотографією, фотолитографией та іншими процесами запису й обробкиінформації, промисловим і лабораторним синтезом органічних і неорганічнихречовин, синтезом і модифікацією полімерних матеріалів, квантової електронікою(Фотохімічні лазери, затвори, модулятори), мікроелектронікою (Фоторезисти),перетворенням сонячної енергії в хімічну.
Фотохімічні процеси відіграють дужеважливу роль у природі. Фотосинтез забезпечує існування майже всіх живихорганізмів на Землі. Переважну частину інформації про навколишній світ людина ібільшість тварин отримують за допомогою зору, механізм якого заснований нафотоізомеризації родопсину, запускає ланцюг ферментативних процесів посиленнясигналу і тим самим забезпечує надзвичайно високу чутливість (аждо реєстрації окремих фотонів). Озон утворюється у верхніх шарах атмосфери зкисню під дією короткохвильового (<180 нм) випромінювання Сонця за реакцією:
O 2 + H O+ O O 3
Він поглинає випромінювання Сонця в області200-300 нм, згубно діє на живі організми.
Фотосинтез
Первинний джерело енергії майже длявсіх живих істот на Землі сонячне світло (виняток - хемотрофнихорганізми). Діапазон сонячного випромінювання, що досягає земної поверхні,називається видимим (білим) світлом; його довжина хвилі - 400 - 700 нм. Фотосинтезуючіорганізми (зелені рослини, водорості, ціанобактерії) здатні вловлювати квантисонячного світла і трансформувати їх в хімічну енергію. Процесфотосинтезу, заключної реакцією якого є синтез вуглеводів з CO 2 ,може бути підсумовані наступним рівнянням:
6CO 2 + 6H 2 O+ HОЅ C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Таким чином, в результаті фотосинтезувідбувається:
- відновлення світловий енергієюнизькоенергетичних окисленої форми вуглецю (CO 2 )в високоенергетичну відновлену форму вуглецю в складі вуглеводів,які потім використовуються гетеротрофних організмами як джерело енергії івуглецю;
- утворення молекулярного кисню;ця реакція - єдиний природний джерело кисню на Землі.
У процесі фотосинтезу виділяють світловуі темнова фази.
Світлова фаза включає в себе трипроцесу:
- фотохімічний процес окисногорозщеплення води (фотоокислення):
2H 2 O 4H + + 4e - + O 2
-Енергіявисокоенергетичних електронів води використовується спеціалізованої мембранноїсистемою для фосфорилювання АДФ і утворення АТФ у системіфотосинтетичного фосфорилювання;
-Частинаенергії електронів відновлює НАДФ + в реакціїфотовосстановленія:
НАДФ + + 2e - + 2H + НАДФН + Н +
У світлових реакціях електронипереносяться по електронтранспортной ланцюга від однієїокисно-відновної системи до іншої; фотосинтетичний перенесенняелектронів в енергетичному відношенні подібний до "підйому в гору". Збудженняелектронів за рахунок енергії поглиненого світла відбувається в двох реакційнихцентрах (фотосистеми). Це білкові комплекси, до складу яких вхо...
