Reação fotoquímica
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Reação fotoquímica , para reação química iniciada pela absorção de energia na forma de luz . A conseqüência de moléculas 'Absorver luz é a criação de transitório estados excitados cujas propriedades químicas e físicas diferem muito das moléculas originais. Essas novas espécies químicas podem se desfazer, mudar para novas estruturas, combinar-se entre si ou com outras moléculas, ou transferir elétrons , hidrogênio átomos , prótons , ou sua energia de excitação eletrônica para outras moléculas. Estados animados são mais fortes ácidos e redutores mais fortes do que os estados fundamentais originais.
Cadeia de tunicados fluorescentes. Francis Abbott / Nature Picture Library
É esta última propriedade que é crucial no mais importante de todos os processos fotoquímicos, a fotossíntese, sobre a qual quase todos vida sobre terra depende. Por meio da fotossíntese, as plantas convertem a energia da luz solar em energia química armazenada, formando carboidratos da atmosfera dióxido de carbono e água e liberação molecular oxigênio como um subproduto. Ambos os carboidratos e oxigênio são necessários para sustentar a vida animal. Muitos outros processos na natureza são fotoquímicos. A capacidade de ver o mundo começa com uma reação fotoquímica no olho, na qual a retinal, uma molécula na célula fotorreceptora rodopsina, isomeriza (ou muda de forma) em torno de uma ligação dupla após absorver a luz. Vitamina D , essencial para o osso normal e dentes desenvolvimento e função renal, é formado na pele dos animais após a exposição do 7-desidrocolesterol à luz solar. Ozônio protege a superfície da Terra de intensos, profundos irradiação ultravioleta (UV) , o que é prejudicial para GOTA e é formado na estratosfera por uma dissociação fotoquímica (separação) de oxigênio molecular (Odois) em átomos de oxigênio individuais, seguido pela reação subsequente desses átomos de oxigênio com oxigênio molecular para produzir ozônio (O3) radiação Uv que passa pelocamada de ozôniodanifica fotoquimicamente o DNA, que por sua vez introduz mutações em sua replicação que pode levar a câncer de pele .
destruição da camada de ozônio buraco de ozônio na Antártica, 17 de setembro de 2001. NASA / Goddard Space Flight Center
As reações fotoquímicas e as propriedades dos estados excitados também são críticas em muitos processos e dispositivos comerciais.Fotografiae a xerografia são baseadas em processos fotoquímicos, enquanto a fabricação de semicondutor chips ou a preparação de máscaras para impressão de jornais depende da luz ultravioleta para destruir moléculas em regiões selecionadas de polímero máscaras.
A sequência de operações para fazer um tipo de circuito integrado, ou microchip, chamado de transistor semicondutor de óxido metálico de canal n (contendo elétrons livres). Primeiro, um wafer de silício tipo p limpo (contendo orifícios carregados positivamente) é oxidado para produzir uma fina camada de dióxido de silício e é revestido com um filme sensível à radiação chamado de resistência (a). O wafer é mascarado pela litografia para expô-lo seletivamente à luz ultravioleta, o que faz com que o resistor se torne solúvel (b). As áreas expostas à luz são dissolvidas, expondo partes da camada de dióxido de silício, que são removidas por um processo de corrosão (c). O material resistente restante é removido em um banho líquido. As áreas de silício expostas pelo processo de corrosão são alteradas do tipo p (rosa) para o tipo n (amarelo) pela exposição a vapor de arsênio ou fósforo em altas temperaturas (d). As áreas cobertas por dióxido de silício permanecem do tipo p. O dióxido de silício é removido (e), e a pastilha é oxidada novamente (f). Uma abertura é gravada até o silício tipo p, usando uma máscara reversa com o processo de litografia-gravura (g). Outro ciclo de oxidação forma uma fina camada de dióxido de silício na região do tipo p do wafer (h). As janelas são gravadas nas áreas de silício do tipo n em preparação para depósitos de metal (i). Encyclopædia Britannica, Inc.
História
O uso da fotoquímica por humanos começou no final da Idade do Bronze em 1500bcequando os povos cananeus se estabeleceram na costa oriental do Mediterrâneo. Eles prepararam um corante roxo rápido (agora chamado de 6,6’-dibromoindigotina) de um local molusco , usando uma reação fotoquímica, e seu uso foi mencionado posteriormente em documentos da Idade do Ferro que descreveram épocas anteriores, como as epopéias de Homer e o Pentateuco. Na verdade, a palavra Canaã pode significar roxo avermelhado. Essa tinta, conhecida como púrpura de Tyr, foi mais tarde usada para colorir as capas dos césares romanos.
No processo fotoquímico mais simples, os estados excitados podem emitir luz na forma de fluorescência ou fosforescência. Em 1565, enquanto investigava uma madeira mexicana que aliviava a dor excruciante das pedras urinárias, o médico espanhol Nicolás Monardes fez um extrato aquoso (à base de água) da madeira, que brilhava em azul quando exposto ao sol. Em 1853, o físico inglês George Stokes percebeu que uma solução de quinino exposta a umrelâmpagoflash emitiu um breve brilho azul, que ele chamou de fluorescência. Stokes percebeu que os relâmpagos emitiam energia na forma de luz ultravioleta. O quinino moléculas absorveu essa energia e a reemitiu como radiação azul menos energética. (A água tônica também brilha em azul por causa do quinino, que é adicionado para fornecer um sabor amargo.)
No século 16, o escultor florentino Benvenuto Cellini reconheceu que um diamante exposta à luz do sol e colocada na sombra emitia um brilho azul que durou vários segundos. Esse processo é chamado de fosforescência e se distingue da fluorescência pelo período de tempo em que persiste. Sintético fósforos inorgânicos foram preparados em 1603 pelo sapateiro-alquimista Vincenzo Cascariolo de Bolonha, reduzindo o sulfato de bário mineral natural com carvão para sintetizar sulfeto de bário. A exposição à luz do sol fazia com que o fósforo emitisse um brilho amarelo de longa duração, e foi suficientemente considerado que muitos viajaram para Bolonha para coletar o mineral (chamadas pedras de Bolonha) e fazer seu próprio fósforo. O trabalho subsequente do astrônomo italiano Niccolò Zucchi em 1652 demonstrou que a fosforescência é emitida em comprimentos de onda mais longos do que o necessário para excitar o fósforo; por exemplo, a fosforescência azul segue a excitação UV nos diamantes. Além disso, em 1728 o físico italiano Francesco Zanotti mostrou que a fosforescência mantém a mesma cor, mesmo quando a cor da radiação de excitação é alterada para aumentar a energia. Essas mesmas propriedades também são verdadeiras para a fluorescência.
A era moderna da fotoquímica orgânica começou em 1866, quando o químico russo Carl Julius von Fritzche descobriu que uma solução concentrada de antraceno exposta a UV a radiação cairia da solução como um precipitado. Essa precipitação ocorre porque as moléculas de antraceno se unem aos pares, ou dímeros, que não são mais solúveis.
No século 19 e no início do século 20, os cientistas desenvolveram uma compreensão fundamental da base da fluorescência e da fosforescência. A base foi a constatação de que os materiais (corantes e fósforos) devem ter a capacidade de absorver radiação óptica (lei de Grotthus-Draper). Químico alemão Robert Bunsen e o químico inglês Henry Roscoe demonstrou em 1859 que a quantidade de fluorescência ou fosforescência era determinada pela quantidade total de radiação óptica absorvida e não pelo conteúdo de energia (isto é, o comprimento de onda, cor ou frequência) da radiação. Em 1908, o físico alemão Johannes Stark percebeu que a absorção de radiação era uma consequência de umquantumtransição, e isso foi estendido pelo físico alemão Albert Einstein em 1912 para incluir a conservação da energia - a energia interna introduzida na molécula por absorção deve ser igual ao total das energias de cada processo individual de energia dissipação . Implícito na frase anterior está a lei de equivalência fotoquímica, também chamada de lei de Stark-Einstein, que afirma que uma única molécula pode absorver exatamente uma fóton de luz. A quantidade de energia absorvida por uma substância é o produto do número de fótons absorvidos e da energia de cada fóton, mas é a intensidade da radiação e o número de fótons absorvidos por segundo, e não sua energia, que determinam a extensão da fotoquímica processos.
O contemporâneomecânica quânticaa descrição da absorção de radiação óptica envolve a promoção de um elétron a partir de um sistema de baixa energia orbital para um orbital mais energético. Isso é sinônimo de dizer que a molécula (ou átomo) é promovida de seu estado fundamental (ou estado de energia mais baixa) para um estado excitado (ou estado de energia mais alta). Esta molécula de estado excitado freqüentemente tem propriedades drasticamente diferentes da molécula de estado fundamental. Além disso, o estado de excitação de uma molécula tem vida curta porque uma sequência de eventos a retornará ao seu estado fundamental original ou formará uma nova espécie química que acabará por atingir seu próprio estado fundamental.
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