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§106光化学概要由于光的作用而发生的化学反应通称为“光化学反应
§10.6 光化学概要
=[1.20(108/(( /nm)]J·mol-1 (10.56)
式中(是光的波长,单位为nm (纳米);E(的单位为J·mo1-1。由上式可以看出,对于不同波长的光,其E(值不同,(越长,E(值越小;波长越短,E(值就越大。
分子吸收光能后引发的光化学反应可能有以下几种情况:
其中,(1)化学键均裂产生自由基,(2)化学键异裂产生阴、阳离子,(3)分子电离,(4)分子活化,(5)分子重排。上述这些反应都有光量子参加,称为初级光化学过程。
(2) 量子效率和能量转换效率
被光量子活化了的分子有的可能未及发生反应便已失活,有的可能引发链反应而导致更多分子发生化学变化。发生光化学反应的分子数与被吸收的光量子数之比称为“量子效率”,以(表示。即
(10.57)
光化学反应能够使光能转换为化学能,即能够增加反应系统的吉布斯函数。反应系统增加的化学能与投射在反应系统中光的总能量之比称为“能量转换效率”,也称“能量贮存效率”,以(表示。若使用一定波长的单色光进行光化学反应,则能量转换效率可简单表示为
(10.58)
式中(rGm为1mol 光化学反应的吉布斯函数增量。
对于不同的光化学反应,量子效率往往相差很大。例如H2和Br2的反应
在600 nm光照下反应的初始阶段Br2吸收光量子解离为自由基
Br22Br·
然而后续反应
E=88 kJ (mol-1
反应速率比较缓慢,Br(有足够的时间重新复合,因此在通常条件下该反应的量子效率(只有0.01。
对于H2和C12的反应
在400 nm光照下, C12吸收光量子亦解离为自由基
Cl22Cl·
其两步后续反应
E=26 kJ (mol-1
E=12 kJ (mol-1
都是比较快的反应,于是形成连续不断的链反应。该反应的量子效率可高达105至106。
光化学反应的量子效率可能小于1,亦可能大于1。但无论量子效率多么大,其能量转换效率都不可能超过1,这是由能量守恒原理所决定的。研究结果表明:对于太阳能的利用,若能发现某系统的能量转换效率(可以达到10(,则该光化学反应系统就会有非常广泛的实用价值。
(3) 光化学反应
1. 光化学反应的速率
在热反应中,反应物分子依赖分子碰撞而活化,因此热反应的速率与反应物浓度有关;在光化学反应中,反应物分子吸收光量子而活化,因此,在反应物量充足的条件下,光化学反应的速率与吸收光的强度Ia成正比,有时与反应物浓度无关。即
r = kIa (10.59)
这是光化学反应与热反应的重要区别之一。
2. 光化学反应的平衡
对峙反应中,只要有一个方向是光化学反应,则其平衡就称为“光化学平衡”。由于光化学反应的速率关系与热反应不同,故其平衡与热反应亦不相同。例如,苯溶液中蒽(A)在紫外光照射下发生二聚的反应:
其正向是光化学反应,故其反应速率为
r+= k+Ia
而其逆向解离是热反应,故其反应速率应为
r(= k( [ A2]
当 r+=r(时,即k+Ia= k( [ A2]时,反应达到平衡,则
(10.60)
即A2的平衡浓度亦与吸收光强度成正比。
值得指出的是,(10.59)和(10.60)式中的Ia是吸收光的强度。反应系统吸收光强度Ia与照射光强度I0之间服从比尔(Beer)定律,即
(10.61)
式中ci是吸光物质的浓度,l是透光层厚度,(i称为该物质的摩尔吸收系数,或称摩尔消光系数。(i值与吸光物质的种类及照射光的波长等有关。
3. 温度的影响
由于光化学反应速率和平衡主要取决于吸收光强度,因而温度对其影响甚微,通常均可忽略不计。
4. 光敏反应
有些物质本身不能直接吸收某些波长的光而发生反应,但是若有适当的其它物质能吸收这些波长的光,然后将能量转移给反应物分子使之活化或反应,而其自身不发生化学变化,则这种物质称为“光敏剂”,由光敏剂引发的反应称为“光敏反应”。在光敏反应中,有的光敏剂分子吸光后仅靠分子碰撞将能量转移给反应物分子,而在多数情况下是光敏剂分子吸光后参与反应,改变了原来的反应途径,其作用与催化剂类似。例如CO2和H2O分子均不能直接吸收阳光,必须依赖叶绿素作为光敏剂方可发生光合作用。即
寻找合适的光敏剂能够使光化
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