V. Фотохимические реакции
5.1. Основные понятия и сущность фотохимии
Отрасль химии – фотохимия начала бурно развиваться с 50 годов нашего столетия.
Фотохимия изучает химические процессы, которые протекают при воздействии на вещество света или сопровож-дающиеся свечением.
Фотохимическими называются реакции, в которых активирование вещества осуществляется в результате поглощения света.
Основные обозначения:
n - частота l - длина волны
n
- волновое число С
– скорость света
-
1
= n =
n
(5.1)
l
с
Теоретически электромагнитные волны могут иметь любую частоту от нуля до бесконечности (рис. 5.1).
1
08
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
l (м) 5.10-5 0,76.10-6 10-8 2.10-10
ИК-излучение
0,4.10-6
рентгеновское g-излучение
видимый УФ-излучение излучение
свет
Рис. 5.1 Характеристики различных видов излучения
Радиоволны, в свою очередь, можно разделить на несколько диапазонов (например, СВЧ – l = 1-10 см). Аналогично подраз-деляются и другие виды излучения.
Длины волн для многих видов излучения, приведенные в различных изданиях, могут отличаться друг от друга. Например, видимый свет: 400-760 нм, 380-770 нм, 400-800 нм и т.д.
Энергия кванта выражается формулой: Е = hn, (5.2)
где h – постоянная Планка.
В зависимости от энергии кванта, при взаимодействии с излучением, происходят различные процессы.
106 105 104 2.10-6 10-6 8.10-7 6.10-7 4.10-7 2.10-7 10-7
.
..
... ... ...
l,м
дальнее фундаментальное и ближнее видимая УФ-излучение
ИК-излучения ИК-излучение область
вращение молекул (колебания молекул) электронные переходы
Рис. 5.2 Характеристики взаимодействия молекул с различными видами излучения
С
ледует
отметить, что и этот график является
чисто условным. Например, перестройка
валентных электронов может происходить
при поглощении кванта света ближней
ИК-области. Например:
Где X и Y – атомы селена или теллура.
В данном случае происходит только незначительное перераспределение делокализованной электронной плотности в молекуле, поэтому реакция протекает при таких низких значениях энергии кванта.
Фотохимия является типичной пограничной наукой, которая простирается от физики до биохимии и техники.
Значение данной науки проявляется в следующих областях:
Аккумулирование солнечной энергии (солнечные батареи, измерители освещенности и др.);
Запись информации (краткосрочная и долгосрочная – в том числе, фотография, лазерные оптические носители информации, фототермопласты и др.);
Оптическая электроника (в настоящее время ведется разработка оптических процессоров и других систем преобразования информации).
Химическая технология (в связи с проблемами охраны окружающей среды, к процессам химической технологии предъявляются все более жесткие требования). Селективность фотохимических процессов часто очень высока, однако эти процессы не нашли широкого применения в промышленности из-за ряда сложных технических проблем.
Химия атмосферы (многие естественные компоненты атмосферы и продукты ее загрязнения реагируют с излучением солнца);
Химия красителей (например, красители изменяющие цвет под действием света);
Медицина (лечение путем активации отдельных комплексов молекул);
Биофотохимия (все живое на земле – следствие подобных процессов);
Приборостроение (пассивные лазерные затворы, светофильтры, цветные жидкокристаллические дисплеи и др.).
При воздействии на вещество рентгеновского или гамма излучения, которые обладают относительно большими значениями энергии, происходят более сложные химические процессы, изучаемые радиационной химией.