Фотохимия

Свет

Фотохи́мия — раздел физической химии и химии высоких энергий — изучает превращения химических веществ (химия возбужденных состояний молекул, фотохимические реакции), протекающие под действием электромагнитного излучения в ультрафиолетовом (~100—400 нм), видимом (400—800 нм) и ближнем инфракрасном (800—1500 нм) диапазонах.

Законы фотохимии

• Фотохимические изменения происходят только под действием света, поглощаемого системой (закон Гротгуса — Дрепера, 1818—1843 гг.).
• Каждый поглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу (закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна, 1912 г.).

Следующие два закона относятся в основном к фотохимии органических соединений и были сформулированы М. Кашей:

• при поглощении каждого фотона молекулой имеется определенная вероятность заселения или самого нижнего синглетного (с мультиплетностью 1) состояния, либо самого нижнего триплетного (с мультиплетностью 3) состояния;
• в большинстве органических фотохимических процессов, протекающих в растворах, участвует либо первое возбужденное синглетное, либо первое возбужденное триплетное состояния.

Электронные переходы в молекуле

Структура энергетических уровней молекулы

Диапазон волн, представляющий практическую ценность для фотохимии, включает в себя ближний ультрафиолет, видимую область и ограничен с длинноволновой стороны началом ИК-области, то есть это интервал длин волн от 190 до примерно 700—800 нм.

В этом диапазоне наблюдается изменение электронной энергии молекулы при поглощении кванта света, что является определяющим процессом для инициирования химической реакции.

Молекула, переходя в возбужденное состояние, способна терять избыток энергии либо путём излучения, либо безызлучательно, либо вступив в химическое превращение — на преодоление активационного барьера. На рисунке показаны возможные электронные переходы, пунктиром обозначены те, которые происходят без излучения:

1. Возбуждение.
2. Флуоресценция (переход из состояния S₁ в S₀ c излучением).
3. Внутренняя конверсия из состояния S₁ в S₀ без излучения.
4. Интеркомбинационная конверсия из состояния S₁ в T₁.
5. Фосфоресценция (переход из состояния Т₁ в S₀ c излучением).
6. Интеркомбинационная конверсия из состояния T₁ в S₀.

Процесс фотохимического превращения можно разделить на три стадии:

1. акт поглощения фотона, при котором образуется электронно-возбуждённое состояние;
2. первичные фотохимические процессы, в которых участвуют электронно-возбуждённые состояния;
3. вторичные, или темновые реакции различных химических веществ, образующихся в результате первичных процессов.

Роль фотохимии в природных процессах

Многие важнейшие процессы, происходящие в окружающей среде и в организме человека, имеют фотохимическую природу. Под действием солнечного света в хлоропластах растений происходит фотосинтез, обеспечивающий существование жизни на Земле за счет выделения кислорода и трансформации солнечной энергии в энергию химических связей углеводов:

${\ce {6CO2{}+6H2O->[hv,~{\text{хлорофилл}}]C6H12O6{}+6O2}}$.

Зрение, посредством которого человек и большинство животных получает подавляющую часть информации о мире, основано на процессе фотоизомеризации родопсина, которая запускает цепь ферментативных процессов, усиливающих сигнал и обеспеичвающих исключительно высокую чувствительность вплоть до регистрации глазом отдельных фотонов.

Озон образуется в верхних слоях атмосферы под действием коротковолнового (<180 нм) УФ-излучения Солнца по реакции:

${\ce {O2 ->[{hν}] O3}}$.

См. также

• Фотоэффект
• Фотохимические реакции
• Фотокатализ
• Фотодиссоциация
• Фотосинтез
• Искусственный фотосинтез
• Супрамолекулярная фотохимия
• Фотоводород
• Фотоэлектрохимическая ячейка

Литература

• Химическая энциклопедия : [рус.] : в 5 т. / под ред. Н. С. Зефирова. — М. : Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — 783 с. — ISBN 5-85270-310-9.
• Турро Н. Молекулярная фотохимия. — М.: Мир, 1967.