Реферат: Химическое действие света

ВВЕДЕНИЕ

Под химическим действием света подразумевается протекание химических реакций под действием видимого света или ультрафиолетовых лучей. Известно, что некоторые реакции требуют значительных затрат энергии. Тем не менее, энергии кванта света оказывается достаточно для их протекания.

[sms]

СL₂ -> 2СL(Е_cl-cl = 239 кДж/моль).

Химические реакции, которые протекают под действием видимого или ультрафиолетового излучения, называются фотохимическими. Раздел химии, изучающий данный тип реакций, называется фотохимией.

Механизм фотохимических реакций сводится к тому, что атомы и молекулы реагирующих веществ поглощают кванты света и переходят в возбужденное состояние. Часто этот процесс сопровождается распадом реагирующих веществ на ионы или свободные радикалы.

Реакции данного типа встречаются в природе. Кроме того, многие из них являются важными составляющими техналогических процессов и лабораторных синтезов. Целью данного реферата является рассмотрение наиболее существенных фотохимических реакций.

 

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ФОТОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

 

Под фотохимической реакцией понимают химические превращения протекающие в результате воздействия на систему электромагнитного излучения видимой или ультрафиолетовой части спектра. Фотохимическая реакция имеет два основных этапа: активация (возбуждение) частицы и дезактивация - переход частицы в невозбужденное состояние вследствие протекания некоторых процессов.
Активация частицы с помощью электромагнитного излучения.При этом частица получает энергию кванта света и переходит в возбуждённое состояние. Чем больше происходит энергия частицы в возбужденном состоянии , тем легче она вступает в реакцию. Однако в возбужденном состоянии частица нестабильна, она стремится отдать избыточную энергию и вернуться в основное состояние.Время жизни возбуждённой частицы 10^-4 - 10^-8 с.В пределах этого времени частицы успевают дезактивироваться.

 

  Существует четыре варианта дезактивации возбуждённых частиц.
  Флуоресценция - процесс, подобный флуорестенции, только осуществляется он для частиц с более низким уровнем активации.
  Безызлучательная дезактивация - наиболее редко происходящий процесс. Энергия активации частицы отдается в виде тепловой энергии.
  Фотосенсибилизация - дезактивация частицы путем испускания ею кванта  света. Длительность процесса составляет 10^-8 -10^-6с.

  Фосфоресценция -  процесс передачи активационной энергии от одной частицы  к другой. Например, возбужденная молекула А* может дезактивироватся  одним из описанных  выше методов, а может столкнуться с молекулой В , находящейся в основном, т. е. невозбужденном состоянии, и передать ей энергию. Таким образом, молекула А переходит в невозбужденное  состояние , а молекула В активируется:

 

               А*+В->А+В*

 

  Возбужденная частица В* дальше может либо дезактивироватся одним из  описанных выше способов, либо вступить в фотохимическую peaкцию.
  Фотохимическая реакция также являются одним из способов дезактивации  возбужденной молекулы. Результатом фотохимической реакции, в отличие от других методов дезактивации, является образование новых веществ.

 

                                               Некоторые примеры фотохимических реакций
  Фотохимические реакции - важный объект изучения, поскольку они позволяют получать вещества, недоступные для получения другими методами.Причина этого заключается в том, что для получения многих соединений необходимо сообщить исходным веществам такую высокую энергию активации, которую им может  передать только фотон. Рассмотрим некоторые из этих реакций.

                                                          Фотохимическая изомеризация

 

Реакции данного типа исследованы лучше в преобразовании цис- или транс - изомера некоторого соединения в транс- или цис-изомер соответственно:


  Между обеими формами в растворе устанавливается так называемое фотостационарное состояние - состояние равновесия в фотохимической реакции. Ярким примером фотохимической реакции является изомеризация ретиналя  ключевая реакция процессов зрения:

 

  Цис-ретиналь содержится в палочках сетчатой оболочки глаза. Изомеризация ,описываемая приведенным уравнением, вызывается падающим светом. Образование ретинена приводит к ослаблению связи с белком, в результате чего возникает нервный импульс.

                                              Фотолиз

  К реакциям фотолиза относятся необратимые реакции разрыва связей в молекулах  под действием видимого света. Например, отщепление СО при термическом облучении ацетона:

 Исследования показали, что эта реакция протекает по радикальному механизму .

 

                                                                            Фотохимические ОВР

 

 Как и другие фотохимические реакции, фотохимические ОВР также протекают  по радикальному механизму. Ярким примером реакций этого типа является реакция восстановления бензофенона изопропиловым спиртом:

 

 

  В ходе этой реакции кетон бензофенон восстанавливается до спирта ( бензопинакона ) , а изопропиловый спирт окисляется до ацетона.

 

                                        Фотохимические реакции в природе

 

                                                          Фотосинтез

  Одной из наиболее важных фотохимических реакций в природе является фотосинтез - поглощение растениями углекислого газа СО₂  и  образование кислорода. Классическое определение фотосинтеза зучит следующим образом : фотосинтез - процесс, в ходе которого происходит превращение зелёными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химической связи органических веществ.Условием протикания фотосинтеза является наличие в растениях поглощающих свет пигментов ( хлорофилл и др. ) , с помощью которых и происходит связывание углерода и углекислого газа.

     Суммарное уравнение фотосинтеза:

 6СО₂ + 6Н₂О -> C₆H₁₁O₆ + 6O₂

  Фотосинтез протекает во многих микрооргнизмах, траве, зелёных листьях деревьев и растений.Происходит это в хлоропластах - органоидах клетки, отвечающих за осуществление фотосинтеза. Они окрашены в зелёный цвет благодаря наличию в них хлорофила - зелёного пигмента , способного образовывать непрочные соединения с белковыми веществами.Молекула хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра расщепляет поглощённый из воздуха углекислый газ на атомы углерода и кислорода.

  Переоценить важность фотосинтеза для жизни всего живого на Земле сложно. Образующиеся в растениях в результате этого процесса органические вещества служат пищей для других организмов, населяющих Землю. Это значит, что прямо или косвенно фотосинтез является источником  энергии для всего живого.
  Регенерация кислорода в ходе фотосинтеза - явление исключительной важности. Это одно из обязательных условий продолжения жизни на Земле. Кстати,  и зарождение жизни во многом зависело от этого процесса. Выделение кислорода в первичную атмосферу Земли (в результате фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов) послужило толчком к возникновению  озонового экрана  и созданию условий для эволюционного развития организмов.

  Фотосинтез  растений происходил в течение многих тысячелетий, что привело к накоплению на поверхности Земли огромных запасов восстановленного углерода и органических соединений (каменного угля, нефти, газа, сланцев, торфа).

 

                                      Действие света на организм человека

 

  Действие излучения на организм человека стимулирует в нем протекание ряда фотохимических реакций. Одной из наиболее важных среди них является образование в коже биологически активных веществ.
  Витамин D (кальциферол) - жирорастворимый витамин, регулирующий содержание в крови кальция и фосфора; участвует в минерализации костей. Суточная потребность в нем взрослого организма составляет около 10 мкг. Недостаток витамина D сопровождается размягчением костей (остеопороз) у взрослых и нарушением костеобразования (рахит) и функций нервной системы у детей.
  Одним из мощных способов борьбы с рахитом является воздействие на кожу ультрафиолетовых лучей. В облученных участках кожи происходит образование витамина D из провитамина 7-дигидрохолестерина.
  Действие ультрафиолетового излучения на кожу приводит к ее потемнению - т. н. загару. Загар также считается фотохимической реакцией, поскольку изменение окраски кожи вызывается образованием в эпидермисе пигмента меланина исключительно под действием ультрафиолетового излучения Солнца . Источники излучения могут быть и искусственными ( кварцевая лампа, электрическая дуга и тд. ).

  Наиболее действенным является загар , приобретённый под действием всего спектра излучения Солнца.

  Под действием УФ-излучения в коже и крови образуются продукты расщепления белков , что имеет огромное лечебное действие.

 

                                 Фотохимические реакции в промышленности

 

  Химия знает немало реакций, протекание которых невозможно  без облучения реагентов ультрафиолетовым излучением. Некоторые из них  широко используются в промышленности. Приведем описания наиболее важных химических реакций.

 

                                                     Синтез HCI из простых веществ

 

  Получение HCI взаимодействием Н₂ и CL₂ - реакция, без катализатора протекающая   медленно. Однако при облучении реакционной смеси прямыми солнечными лучами данная реакция протекает со взрывом:

            Н₂ + CL₂ -> 2HCL + Q

  Реакции, подобные этой, являются цепными, а механизм их протекания называется цепным. Реакция протекает в несколько стадий, причем продукты предыдущих стадий являются исходными веществами для последующих.
  1) Диссоциация молекулы СL2
СL₂ -> 2CL^o

      <-

 

  Первая стадия -. инициирование цепного процесса. Образовавш калы СL° - очень активные частицы, вступающие в реакцию с Н₂;
2) развитие  цепи:
  СL° + Н₂=НСL + Н°
Н° + СL₂=НСL + СL°
СL° + Н₂- НСL + Н° и т. д.;
3) обрыв цепи:
СL° + СL° = CL₂

H^o + CL^o = HCL

H^o + H^o = H₂

  Приведенные реакции обрыва цепи могут протекать только в  том случае , когда исходные реагенты израсходованы практически до конца. Если же концентрация радикалов ничтожно мала по сравнению с концентрациям реагентов, то вероятность столкновения радикалов с молекулой неизмеримо  выше вероятности столкновения радикалов между собой.

 

  Следует также отметить, что и при преобладании радикалов не все их столкновения между собой приводят к образованию молекул. Доказан  что для успешного столкновения радикалов (т. е. для образования из них молекулы )  необходимо, чтобы столкновение произошло особым образом (теория Аррениуса  ). Эксперимент подтвердил: из миллиона столкновений в газовой фазе результативным является только одно.

 

                                            Радикальная полимеризация

 

  Радикальной называется полимеризация, активным центром которой является радикал. Стадии реакции радикальной полимеризации во многом совпадают со стадиями цепных реакций.Рассмотрим их подробнее.

  1. Инициирование цепи - реакция, в которой образуется активный центр - образование повышенной активности, которое обусловливает протекание реакции полимеризации:

  А₁ -> A_1^o

  2. Рост цепи - образование полимера в результате соединения большого количества мономерных звеньев:
 А_1^o + А₁ -> А₂°

 А₂° + А₁ ->А₃°
 А _n-1° + А₁ ->А _n°

3. Обрыв цепи

 2А_n^o - >A2_n

  Условные обозначения: А₁- мономер; А₁^o- молекула мономера с активным центром; А₂°, А_3^o,... А_n-1^o  - растущая цепь с активным центром; А_2n- молекула полимера.[/sms]