Fotochimica

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Introduzione

Fotochimica Studio dei processi fisici e chimici provocati dall'interazione della radiazione elettromagnetica (sotto forma di fotoni) con le molecole.

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Le due leggi della fotochimica

La prima legge della fotochimica, nota come legge di Grotthuss-Draper, afferma che per provocare una reazione fotochimica, la luce deve essere assorbita dalla sostanza investita dalla radiazione; in altre parole, solo le molecole che assorbono la radiazione di una particolare frequenza subiscono una reazione quando vengono irraggiate a quella determinata frequenza. La seconda legge della fotochimica, nota come legge di Stark-Einstein, dice che ogni fotone induce una reazione fotochimica in una sola molecola assorbente. Quest'ultima legge, detta anche legge della fotoequivalenza, fu proposta da Albert Einstein durante i primi sviluppi della teoria quantistica della luce; essa afferma inoltre che l'entità della reazione fotochimica è direttamente proporzionale al prodotto dell'intensità luminosa per il tempo di irraggiamento.

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Cause e caratteristiche della reazione fotochimica

Le reazioni fotochimiche avvengono perché l'assorbimento di un fotone produce un'eccitazione della molecola, ossia una transizione a stati corrispondenti a livelli energetici superiori, cui corrisponde una maggiore reattività chimica. Esse permettono quindi di ottenere reazioni chimiche difficilmente realizzabili in assenza di radiazione o di accelerare processi che, in condizioni normali, si svolgerebbero lentamente.

Rispetto alle reazioni termiche, che necessitano di un dato calore di attivazione, quelle fotochimiche presentano il vantaggio della selettività: a una determinata frequenza della radiazione corrisponde una specifica reazione di una sostanza chimica. La frequenza (u) della luce assorbita da una molecola, moltiplicata per h, la costante di Planck, deve essere uguale alla separazione in energia fra lo stato stazionario di una molecola (E₁) e quello eccitato (E₂): E₂ - E₁ = hu. Variando la frequenza di radiazione è possibile quindi eccitare selettivamente la molecola, dando origine a diverse reazioni fotochimiche, a seconda della frequenza, del numero e del tipo di stati eccitati presenti nella molecola irraggiata.

La maggior parte delle sostanze chimiche non reagisce fotochimicamente perché la durata media dell'eccitazione delle molecole non è sufficientemente lunga da permettere la reazione; cosicché la molecola perde l'energia ceduta dalla radiazione prima che la reazione abbia luogo. Vedi Luminescenza.

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Dalla fotosintesi alla fotografia

Gli esempi comuni di reazioni fotochimiche sono moltissimi. Ad esempio nella fotosintesi delle piante verdi, le molecole di clorofilla interagiscono con i fotoni della luce solare, e utilizzano l'energia assorbita per produrre i carboidrati. La luce solare induce la fotodissociazione dell'ozono nell'atmosfera che, assorbendo i raggi ultravioletti, funge da schermo per questa componente della radiazione.

La fotografia è un processo fotochimico durante il quale il bromuro d'argento (AgBr) è trasformato in argento metallico dall'azione della luce. Il processo della visione richiede l'isomerizzazione fotochimica della proteina, detta rodopsina, presente nella retina dell'occhio.