Хімія - Золота колекція рефератів - 2018

ХІМІЧНА ДІЯ СВІТЛА

ВСТУП

Механізм фотохімічних реакцій зводиться до того, то атоми й молекули реагуючих речовин поглинають кванти світла й переходять у збуджений стан. Часто цей процес супроводжується розпадом реагуючих речовин на іони або вільні радикали.

Реакції цього типу зустрічаються в природі. Крім того, чимало з них є важливими складниками технологічних процесів і лабораторних синтезів. Метою цього реферату є розгляд найістотніших фотохімічних реакцій.

ЗАКОНОМІРНОСТІ ПРОТІКАННЯ ФОТОХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ

Під фотохімічною реакцією мають на увазі хімічні перетворення, що протікають у результаті впливу на систему електромагнітного випромінювання видимої або ультрафіолетової частини спектра. Фотохімічна реакція має два основні етапи: активація (збудження) частинки й дезактивація — перехід частинки в незбуджений стан унаслідок протікання деяких процесів.

Активація частинки відбувається за допомогою електромагнітного випромінювання. При цьому частинка одержує енергію кванта світла й переходить у збуджений стан. Чим більша енергія частинки в збудженому стані, тим легше вона вступає в реакцію. Однак у збудженому стані частинка нестабільна, вона прагне віддати надлишкову енергію й повернутися до основного стану. Час життя збудженої частинки 10^-4-10^-8 с. У межах цього часу частинки встигають дезактивуватися.

Існує чотири варіанти дезактивації збуджених частинок.

Флуоресценція — процес, подібний до флуорестенції, тільки здійснюється він для частинок з нижчим рівнем активації.

Безвипромінювальна дезактивація — процес, що відбувається найрідше. Енергія активації частинки віддається у вигляді теплової енергії.

Фотосенсибічізація — дезактивація частинки шляхом випромінювання нею кванта світла. Тривалість процесу складає 10^-8-10^-4 Ис.

Фосфоресценція — процес передачі активаційної енергії від однієї частинки до іншої. Наприклад, збуджена молекула А* може дезактивуватися одним з описаних вище методів, а може зіштовхнутися з молекулою В, що перебуває в основному, тобто незбудженому стані, і передати їй надлишкову енергію. Таким чином, молекула А переходить у незбуджений стан, а молекула В активується:

А* + В → А + В*

Збуджена частинка В* далі може або дезактивуватися одним з описаних вище способів, або вступити у фотохімічну реакцію.

Фотохімічні реакції також є одним зі способів дезактивації збудженої молекули. Результатом фотохімічної реакції, на відміну від інших методів дезактивації, є утворення нових речовин.

ДЕЯКІ ПРИКЛАДИ ФОТОХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ

Фотохімічні реакції — важливий об’єкт вивчення, оскільки вони дозволяють одержувати речовини, недоступні для одержання іншими методами. Причина цього полягає в тому, що для одержання багатьох сполук необхідно надати вихідним речовинам таку високу енергію активації, яку їм може передати тільки фотон. Розглянемо деякі з цих реакцій.

Фотохімічна ізомеризація

Реакції цього типу досліджені краще в перетворенні цис- або транс-ізомеру певної сполуки на транс- або цис-ізомер відповідно:

Між обома формами в розчині встановлюється так званий фотостаціонарний стан — стан рівноваги у фотохімічній реакції.

Яскравим прикладом фотохімічної реакції є ізомеризація ретиналю — ключова реакція процесів зору:

Цис-ретиналь міститься в паличках сітчастої оболонки ока. Ізомеризація, описувана наведеним рівнянням, викликається падаючим світлом. Утворення ретинену призводить до ослаблення зв'язку з білком, у результаті чого виникає нервовий імпульс.

Фотоліз

До реакцій фотолізу належать незворотні реакції розриву зв’язків у молекулах під дією видимого світла. Наприклад, відщеплення СО при термічному опроміненні ацетону:

Дослідження показали, що ця реакція протікає за радикальним механізмом.

Фотохімічні ОВР

Як інші фотохімічні реакції, фотохімічні ОВР також протікають за радикальним механізмом. Яскравим прикладом реакцій цього тину є реакція відновлення бензофенону ізопропіловим спиртом:

У процесі цієї реакції кетон бензофенон відновлюється до спирту (бензопінакону), а ізонропіловий спирт окиснюється до ацетону.

ФОТОХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ В ПРИРОДІ

Фотосинтез

Однією з найважливіших фотохімічних реакцій у природі є фотосинтез — поглинання рослинами вуглекислого газу СО₂ й утворення кисню. Класичне визначення фотосинтезу звучить у такий спосіб: фотосинтез — процес, у ході якого відбувається перетворення зеленими рослинами й фотосинтезуючими мікроорганізмами променистої енергії Сонця на енергію хімічного зв’язку органічних речовин. Умовою протікання фотосинтезу є наявність у рослинах пігментів, що поглинають світло, (хлорофіл та ін.), за допомогою яких і відбувається зв’язування вуглецю й вуглекислого газу.

Сумарне рівняння фотосинтезу:

Фотосинтез протікає в багатьох мікроорганізмах, траві, зеленому листі дерев і рослин. Відбувається це в хлоропластах — органоїдах клітини, відповідальних за здійснення фотосинтезу. Вони забарвлені в зелений колір завдяки наявності в них хлорофілу — зеленого пігменту, здатного утворювати неміцні сполуки з білковими речовинами. Молекула хлорофілу під дією червоних променів сонячного спектра розщеплює поглинений з повітря вуглекислий газ на атоми Карбону й Оксигену.

Переоцінити важливість фотосинтезу для життя всього живого на Землі важко. Органічні речовини, що утворюються в рослинах у результаті цього процесу, слугують їжею для інших організмів, які населяють Землю. Це означає, що прямо або побічно фотосинтез є джерелом енергії для всього живого.

Регенерація кисню в холі фотосинтезу — явище виняткової важливості. Це одна з обов’язкових умов продовження життя на Землі. До речі, і зародження життя багато в чому залежало від цього процесу. Виділення кисню в первинну атмосферу Землі (у результаті фотосинтетичної діяльності перших зелених організмів) стало поштовхом до виникнення озонового екрана й створення умов для еволюційного розвитку організмів.

Фотосинтез рослин відбувався протягом багатьох тисячоріч, що призвело до нагромадження на поверхні Землі величезних запасів відновленого вуглецю й органічних сполук (кам’яного вугілля, нафти, газу, сланців, торфу).

Дія світла на організм людини

Дія випромінювання на організм людини стимулює в ньому протікання ряду фотохімічних реакцій. Однією з найважливіших серед них є утворення в шкірі біологічно активних речовин.

Вітамін D (кальциферол) — жиророзчинний вітамін, що регулює вміст у крові кальцію й фосфору; бере участь у мінералізації кісток. Добова потреба в ньому дорослого організму складає близько 10 мкг. Нестача вітаміну D супроводжується розм’якшенням кісток (остеонороз) у дорослих і порушенням кісткоутворення (рахіт) і функцій нервової системи в дітей.

Одним з потужних способів боротьби з рахітом є вплив на шкіру ультрафіолетових променів. В опромінених ділянках шкіри відбувається утворення вітаміну D із провітаміну 7-дигідрохолестерину.

Дія ультрафіолетового випромінювання на шкіру призводить до її потемніння — т. зв. засмаги. Засмага також уважається фотохімічною реакцією, оскільки зміна забарвлення шкіри викликається утворенням в епідермісі пігменту меланіну винятково під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця. Джерела випромінювання можуть бути також штучними (кварцова лампа, електрична дуга й т. д.).

Найдієвішою є засмага, придбана під дією всього спектра випромінювання Сонця.

Під дією УФ-випромінювання в шкірі й крові утворюються продукти розщеплення білків, що має величезну лікувальну дію.

ФОТОХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ В ПРОМИСЛОВОСТІ

Хімія знає чимало реакцій, протікання яких неможливе без опромінення реагентів ультрафіолетовим випромінюванням. Деякі з них широко використовуються в промисловості. Наведемо описи найважливіших фотохімічних реакцій.

Синтез НСl із простих речовин

Одержання НСl взаємодією Н₂ і Сl₂ — реакція, яка без каталізатора протікає повільно. Однак при опроміненні реакційно! суміші прямими сонячними променями ця реакція протікає з вибухом:

Реакції, подібні до цієї, є ланцюговими, а механізм їхнього протікання називається ланцюговим. Реакція протікає в кілька стадій, причому продукти попередніх стадій є вихідними речовинами для наступних.

1) Дисоціація молекули С1₂

Перша стадія — ініціювання ланцюгового процесу. Утворені радикали Сl⁰ — дуже активні частинки, які вступають у реакцію з Н₂;

2) розвиток ланцюга:

Сl⁰ + Н₂ = НСl + Н⁰

Н⁰ + Сl₂ = НСl + Сl⁰

Сl⁰ + Н₂ - НСl + Н⁰ і т. д.;

3) обрив ланцюга:

Сl⁰ + Сl⁰ = Сl₂

Н⁰ + Сl⁰ = НСl

Н⁰ + Н⁰ = Н₂.

Наведені реакції обриву ланцюга можуть протікати тільки в тому випадку, коли вихідні реагенти витрачені практично до кінця. Якщо ж концентрація радикалів мізерно мала в порівнянні з концентраціями молекул реагентів, то ймовірність зіткнення радикалів з молекулою незмірно вища за ймовірність зіткнення радикалів між собою.

Слід також зазначити, що й при переважанні радикалів не всі їхні зіткнення між собою призводять до утворення молекул. Доведено, що для успішного зіткнення радикалів (тобто для утворення з них молекули) необхідно, щоб зіткнення відбулося особливим чином (теорія Арреніуса). Експеримент підтвердив: з мільйона зіткнень у газовій фазі результативним є тільки одне.

Радикальна полімеризація

Радикальною називається полімеризація, активним центром якої є радикал. Стадії реакції радикальної полімеризації багато в чому збігаються зі стадіями ланцюгових реакцій. Розглянемо їх докладніше.

1. Ініціювання ланцюга - реакція, у якій утворюється активний центр — утворення підвищеної активності, що обумовлює протікання реакції полімеризації:

2. Ріст ланцюга — утворення полімеру в результаті з’єднання великої кількості мономерних ланок:

3. Обрив ланцюга

Умовні позначки: A₁ — мономер: А₁⁰ — молекула мономера з активним центром; А₂⁰, A₃⁰,... A_n-1 — зростаючий ланцюг з активним центром; A_2n — молекула полімеру.

Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити