Значение фотохимических реакций

В биологии известно несколько фотохимических процессов, имеющих чрезвычайно большое значение для жизнедеятельности как отдельных организмов, так и биосферы в целом. В первую очередь среди таких процессов следует назвать фотосинтез.  Кроме того, чрезвычайно важными являются фотохимия зрения, фотохимия синтеза витаминов, например, витамина D в человеческой коже, фотохимия загара и др.

Фотохимическая реакция разложения галогенидов серебра лежит в основе фотографического процесса. Существуют фотохромные материалы, способные изменять цвет или прозрачность под действием света, что используется, в частности, для фотохимической записи информации или для изготовления солнцезащитных очков. Фотохимические реакции используются и в химической промышленности, например, при синтезе капролактама или при фотополимеризации метилметакрилата в производстве органического стекла.

Для фармации фотохимические реакции важны в первую очередь постольку, поскольку свет может вызывать деструкцию (фотолиз) многих лекарственных препаратов. Разложению под действием света подвержены и многие другие вещества и материалы - древесина, бумага, краски, пластмассы и т. д.

В химии достаточно широко используется люминесцентный метод анализа, основанный на изучении спектров излучения, испускаемого возбужденными молекулами исследуемых веществ.

 

Первичные и вторичные фотохимические процессы

Фотохимические реакции подразделяются на первичные и вторичные процессы, происходящие соответственно на световых  или темновых стадиях. Первичные процессы связаны с поглощением молекулами кванта световой энергии - фотона, что может привести к образованию реакционноспособных промежуточных соединений, которые затем участвуют во вторичных процессах, имеющих термическую природу и не требующих воздействия света или другого излучения

Проиллюстрировать первичные и вторичные процессы можно на примере разложения иодида водорода. В отсутствие света происходит термическая реакция

2HJ ® H₂ + J₂

Если же на систему действует свет подходящей длины волны, то идут следующие процессы:

HJ + hn ® H + J               фотохимическая реакция, первичный процесс

H + HJ ® H₂ + J    ü   термические реакции;

J + J ® J₂                 þ   вторичные процессы

    Хотя конечные продукты превращений в химическом и в фотохимическом процессах совпадают, механизмы этих процессов различны.

 

Законы фотохимии

Известны следующие законы фотохимии:

Закон Гроттгуса - Дрейпера  (К.И.Д.Гроттгус - 1818; Дж.У.Дрейпер - 1842):

Фотохимическое изменение может произвести только тот свет, который поглощается данным веществом.

(Обычно это тот свет, цвет которого является дополнительным к цвету вещества, вступающего в фотохимическую реакцию. Так, красные лучи поглощаются зелёными веществами, жёлтые – синими и т. д.).

Закон Бунзена - Роско  (Р.Бунзен совместно с Г.Роско - 1857):

Степень химического превращения пропорциональна времени воздействия света.

В настоящее время этот закон считается следствием закона Штарка - Эйнштейна.

Закон фотохимической эквивалентности Штарка - Эйнштейна  (И.Штарк - 1908, А.Эйнштейн - 1912):

Каждый фотон, поглощённый веществом на первичной (световой) ста­дии, вызывает изменение только одной молекулы.

В соответствии с законом Штарка - Эйнштейна при поглощении одного фотона образуется одна электронно-возбуждённая молекула. Однако на темновых стадиях подвергаться химическому превращению будет число молекул, в общем случае отличающееся от числа возбуждённых. С одной стороны не все возбуждённые молекулы могут вступить в химическую реакцию (например, из-за того, что испустят фотон и потеряют способность к превращению). С другой стороны, при цепных реакциях один поглощённый фотон может инициировать длинную цепь превращений, т. е. вызовет превращение большого числа молекул.