Химические реакции под действием света

Свет может не только освещать предметы, но и запускать удивительные химические реакции в веществах. Давайте разберемся, как именно свет влияет на химические процессы.

Понятие фотохимической реакции

Фотохимическими называют химические реакции, протекающие под действием света. Для запуска таких реакций достаточно видимого света или ультрафиолетового излучения. Их особенность в том, что световая энергия расщепляет молекулы веществ.

Различают два основных пути протекания фотохимических реакций:

• Синтез - образование более сложных молекул из простых под действием света
• Разложение - распад сложных молекул на более простые под действием света

Классическим примером фотохимической реакции служит фотосинтез - синтез органических веществ из углекислого газа и воды в листьях растений под действием света. Еще один распространенный пример - реакции в основе фотографии, о которых речь пойдет далее.

Для каждой фотохимической реакции существует пороговая частота света ν0, ниже которой реакция не запускается. Этот порог называют красной границей.

Согласно квантовой теории, фотохимические реакции объясняются тем, что фотоны передают молекулам достаточно энергии для разрыва химических связей. Если энергии недостаточно (ниже порога ν0), то реакция не идет.

Фотосинтез

Удивительный процесс фотосинтеза протекает в листьях и других зеленых частях растений. Под действием красных и синих лучей солнца листья поглощают углекислый газ из воздуха. В результате реакций образуются органические вещества - углеводы, а также выделяется кислород.

Фотосинтез имеет огромное значение для природы и человека. Во-первых, это основной источник кислорода в атмосфере. А во-вторых, продукты фотосинтеза - пища для растений, животных и людей.

Русский ученый К.А. Тимирязев впервые доказал, что именно свет является движущей силой фотосинтеза в растениях.

Уже предпринимаются попытки использовать фотосинтез в практических целях. Например, для выращивания водорослей как источника пищи и топлива. Перспективно применение фотосинтетических бактерий в биотехнологиях.

Фотография

Принцип действия фотопленки основан как раз на фотохимической реакции. Чувствительный слой состоит из кристаллов бромида серебра AgBr. Под действием света эти кристаллы частично восстанавливаются до металлического серебра. Получается скрытое изображение объекта.

Затем пленку проявляют, то есть обрабатывают специальными химическими веществами, которые завершают реакцию восстановления серебра там, где оно уже началось под действием света. После фиксирования изображение становится видимым.

Современные технологии позволяют вести фотосъемку не только в видимом диапазоне, но и в ультрафиолете или инфракрасном излучении. Пример - инфракрасная фотография. На таких снимках растительность выглядит белой, а небо и вода - черными.

Проявители в фотографии

Для проявления фотопленки, то есть завершения начатой светом фотохимической реакции, используют специальные вещества - проявители. Наиболее распространены проявители на основе гидрохинона, метола, фенидона.

Проявители восстанавливают ионы серебра до металлического состояния там, где это началось под действием квантов света. Так появляется видимое изображение.

Фиксирование фотоматериалов

После проявления пленку или фотобумагу помещают в раствор фиксажа, обычно на основе тиосульфата натрия. Фиксаж растворяет неразложившиеся под действием света соли серебра, делая снимок нечувствительным к дальнейшему облучению.

Таким образом фиксирование завершает процесс получения стабильного видимого фотоизображения.

Тепловое и химическое действие света

Помимо химического, свет может оказывать и тепловое воздействие на вещества. Это происходит при поглощении света и превращении его энергии в тепловую энергию молекул.

Однако в отличие от фотохимических реакций, где важна именно квантовая природа света, тепловой эффект не зависит от длины волны или частоты в пределах видимого или инфракрасного диапазонов.

Измерение давления света

Еще одним важным действием света является световое давление, существование которого предсказал Дж. Максвелл. Экспериментально это явление впервые продемонстрировал в 1900 году русский ученый П.Н. Лебедев.

Он измерил микроскопическое давление, которое оказывает свет на освещаемые им объекты. Это стало еще одним доказательством волновых и корпускулярных свойств света.

Тепловое излучение нагретых тел

Нагретые тела, помимо отраженного света, испускают и собственное электромагнитное излучение за счет теплового движения частиц.

Максимум такого теплового излучения приходится на инфракрасную область спектра. Его можно регистрировать с помощью специальных тепловизоров, что широко используется на практике.

ИК-фотография в научных исследованиях

Инфракрасная фотосъемка активно применяется в научных исследованиях различных объектов и процессов. Например, с помощью ИК-камер удается обнаружить наличие воды на поверхности планет.

Кроме того, инфракрасные лучи способны глубже проникать в ткани живых организмов. Это позволяет изучать внутреннее строение растений или отслеживать изменения, вызванные различными заболеваниями.

Люминесценция

Под действием света или других видов электромагнитного излучения некоторые вещества начинают сами испускать свет. Это явление называется люминесценцией.

Различают флуоресценцию, когда свечение прекращается сразу после прекращения возбуждения, и фосфоресценцию с послесвечением.

Яркие примеры люминесценции можно наблюдать в ряде минералов, а также при взаимодействии УФ-излучения с определенными красителями, применяемыми, к примеру, при создании светящихся рисунков.

Голография

Голография основана на записи интерференционной картины при взаимодействии когерентных пучков света от объекта и опорного источника. Полученная голограмма при последующем освещении воспроизводит трехмерное изображение объекта.

Принципы голографии широко используются в науке, технике и искусстве для создания уникальных изображений, оптических элементов, систем хранения информации.

Химия красителей и пигментов

Большинство применяемых в фотографии, полиграфии и живописи красителей и пигментов также подвержено влиянию света.

Под действием солнечных лучей или искусственного освещения они могут выцветать, темнеть или даже полностью разрушаться. Поэтому при создании стабильных изображений важен правильный выбор материалов.