Reakcje chemiczne inicjowane światłem

Blog 27 maja 2023

Czas czytania: 6 minuty, 35 sekund

Wpływ światła na nasze życie jest bezdyskusyjny. Z chemicznego punktu widzenia reakcje inicjowane światłem są kluczowe nawet dla naszego istnienia, w końcu gdyby nie proces fotosyntezy, życie na ziemi mogłoby wyglądać dosyć marnie (o ile by w ogóle istniało). Na lekcjach chemii prawdopodobnie usłyszeliście (albo jeszcze usłyszycie) zaledwie tylko o jednej takiej reakcji, do której światło to totalny must have (tak, chodzi o bromowanie czy chlorowanie alkanów), ale takich procesów z udziałem światła jest o wiele więcej! W tym artykule omówimy sobie zwięźle o czterech takich reakcjach!

Zanim jednak omówimy konkretne reakcje musimy sobie szybko wytłumaczyć, czym jest światło 💡

Spis treści

Najpierw trochę fizyki

Tak naprawdę za słowem „światło” stoi ~~straszny~~ termin „promieniowanie elektromagnetyczne”, które jest falą pól elektrycznego i magnetycznego. Co ważne, wszelkie promieniowanie elektromagnetyczne w próżni porusza się z niewyobrażalnie szybką prędkością 3,00 ∙ 10⁸ m/s! Ta wyjątkowa prędkość ma nawet swój symbol „c”, tak to dokładnie to samo „c”, które występuje we wzorze E = mc²!

Światło jest falą co oznacza, że ma swoją częstotliwość. W zależności od częstotliwości możemy je podzielić między innymi na światło widzialne, mikrofale, promieniowanie ultrafioletowe (UV) czy promieniowanie podczerwone. Istotną zależnością światła jest to, że im ma większą częstotliwość tym ma większą energię.

Zakres długości fal światła UV, widzialnego i podczerwonego (IR) – widmo elektromagnetyczne

Ostatnią ważną sprawą (w kontekście fizycznym), jest to pojęcie fotonu. Foton jest najmniejszą porcją energii fali elektromagnetycznej, którą wyrażamy wzorem E = h𝝂, gdzie E jak zwykle oznacza energię, h to tak zwana stała Plancka (6,626 070 15⋅10^–34 J⋅s) a ta egzotyczna literka przypominająca naszą literkę v, która jest tak naprawdę grecką literą “ni”, oznacza częstotliwość promieniowania emitowanego (lub pochłanianego przez ciało doskonale czarne). Teraz z tymi podstawami możemy (w końcu!) przejść do sedna sprawy.

Fotosynteza (oksygeniczna)

Zaczniemy od „banałów”, chociaż sama fotosynteza wcale nie jest taka prosta (kto był na rozszerzonej biologii, ten wie o czym mówię). W ogromnym uproszczeniu dwutlenek węgla reaguje z wodą pod wpływem światła dzięki czemu otrzymujemy glukozę i tlen. Woda w tym procesie jest dości istotna, gdyż jest źródłem jonów wodorowych H⁺, które następnie biorą udział w reakcji red-ox, redukując tym samym dwutlenek węgla. I warto tu sprecyzować, że w samej reakcji fotosyntezy nie bierze udział dowolne światło (lecz światło o konkretnej długości). A to wszystko za sprawą barwników (takich jak np. chlorofil czy karoten), które pochłaniają (absorbują) tylko wybrane długości światła, które dostarczają energię potrzebną do zajścia fotosyntezy. Sam barwnik absorbujący foton światła przechodzi w stan wzbudzony, który jest dość niestabilny, który przekazuje energię bezpośrednio do centrum reakcji.

Schemat fotosyntezy – wchłanianie dwutlenku węgla i wody przez liść, energia słoneczna, chlorofil, produkcja glukozy i tlenu

Rekomendowane zajęcia

Zobacz jak możemy Ci pomóc

Korepetycje z biologii Kurs maturalny z biologii Maturalny obóz z biologii

Halogenowanie alkanów

Chlorowanie (halogenowanie) alkanów poznajemy zazwyczaj na początku naszej przygody z chemią organiczną. Zacznijmy od omówienia tego jak zapisujemy światło w tej reakcji. Zazwyczaj nad strzałką zapisujemy albo słownie „światło”, lub to tajemnicze h𝝂 (mam nadzieje, że po tym krótkim fizycznym wstępie, rozumiecie co to znaczy w praktyce). Co istotne (względem matury) jest to, że reakcja przebiega według mechanizmu substytucji rodnikowej. Sama reakcja składa się z 3 etapów (inicjacji, propagacji i terminacji), co pokazałam Wam poniżej 😊

Pierwszy etap nazywamy inicjacją. Tutaj światło (a dokładniej światło ultrafioletowe o długości od 100nm do 400nm) gra kluczową rolę, gdyż rozbija nam chlor cząsteczkowy na dwa rodniki chlorowe, jest to tak zwany rozpad homolityczny.

Etap inicjacji w reakcji rodnikowej chlorowania – rozpad cząsteczki chloru na dwa rodniki chlorowe pod wpływem światła

Drugi etap nazywam propagacją. W pierwszym etapie propagacji rodniki reagują (w tym przykładzie) z cząsteczką metanu odrywając od niego atom wodoru tworząc HCl oraz rodnik metylowy. Następnie rodnik metylowy reaguje z cząsteczką chloru tworząc chlorometan i nowy rodnik chlorowy, który ponownie uczestniczy w pierwszym etapie propagacji. Taką reakcję nazywamy reakcją łańcuchową!

Etap propagacji w reakcji rodnikowej chlorowania metanu – schemat reakcji z udziałem rodników chloru i metylu

Ostatni, trzeci etap nazywamy terminacją. Mogliście zauważyć, że w reakcji powstaje wiele rodników (a to przecież najprostszy przypadek bo mamy tutaj tylko jeden węgiel), więc czy nie istnieją przypadki, gdzie np. dwa rodniki metylowe się ze sobą zderzą? Odpowiedź jest jasna- oczywiście, że istnieją takie przypadki!

„Etap terminacji w reakcji rodnikowej chlorowania metanu – schemat reakcji, w tym tworzenie pary cząsteczek chloru, chlorometanu i etanu

Ten etap zachodzi jednak dosyć rzadko, ponieważ stężenie rodników w dowolnym momencie reakcji jest dosyć niskie i prawdopodobieństwo zderzenia się dwóch rodników jest również małe.

Samo chlorowanie czy bromowanie alkanów jest absolutnie jedną z ulubionych reakcji nie tylko autorów zadań maturalnych ale też ostatnio autorów zadań olimpijskich! Więcej na temat samego halogenowania alkanów (w tym o rodnikach i przykładowych zadaniach maturalnych) przeczytacie w artykule: https://naukowcowdwoch.pl/reakcje-rodnikowe-zadania-maturalne/

Poniżej przykład zadania, które pojawiło się na ostatniej edycji Olimpiady Chemicznej ) 😊

Uczestniczka obozu naukowego obserwuje preparat pod mikroskopem

Polecane

Zobacz jak możemy Ci pomóc

Maturalny obóz z chemii Korepetycje z chemii Kurs maturalny z chemii

69. Olimpiada Chemiczna; Zadanie A4, Folder Wstępny

Węglowodory i bromopochodne
I Związek A to węglowodór o wzorze sumarycznym C₈H₁₀. Wiadomo że nie reaguje z HBr, natomiast w wyniku
rodnikowego bromowania (1 mol Br₂, światło) możliwe jest powstanie tylko jednego produktu A1 o wzorze
sumarycznym C₈H₉Br. Reaguje również z bromem w obecności żelaza co prowadzi również do jednego
możliwego produktu A2 o tym samym wzorze sumarycznym co A1. Żaden z wymienionych związków nie jest
chiralny.

II Związek B to węglowodór o wzorze sumarycznym C₇H₁₄. Nie reaguje z HBr, natomiast w wyniku
rodnikowego bromowania (1 mol Br₂, światło) możliwe jest powstanie tylko trzech produktów B1, B2 i B3 o
wzorze sumarycznym C₇H₁₃Br, z których B1 i B2 są związkami chiralnymi. W wyniku eliminacji HBr ze
związku B1 mogą powstać dwa produkty o wzorze C₇H₁₂, natomiast z B2 powstaje tylko jeden produkt.

III Węglowodory C i D mają wzór sumarycznym C₆H₁₂. Wiadomo że związki te reagują z HBr i bromem bez udziału
światła. W wyniku tych reakcji z C powstają wyłącznie produkty, które nie są chiralne. Natomiast z D powstają
chiralne bromopochodne jako mieszaniny diastereoizomerów (również produkt addycji HBr).

Uwaga: W celu uproszczenia rozważań przyjmij dodatkowe założenia: Nie uwzględniaj związków, które
zawierają małe pierścienie: trójczłonowe oraz czteroczłonowe (tj. cyklopropany i cyklobutany), jeśli będzie taka
możliwość. W reakcjach z udziałem węglowodorów nie uwzględniaj również ewentualnych/możliwych
przegrupowań.
Informacja pomocnicza: w reakcji cykloheksenu z Br₂ powstaje tylko jeden diastereoizomer.

Polecenia:
a. Podaj wzory strukturalne związków A, A1, A2, B, B1, B2, B3.
b. Podaj wszystkie możliwe wzory strukturalne związków C i D, które spełniają warunki zadania.

Zobacz odpowiedź

Struktury chemiczne izomerów bromopochodnych związków aromatycznych – pozycje A, A1 i A2

Schemat reakcji monobromowania węglowodorów z różnymi produktami, w tym izomerami cis/trans oraz diastereoizomerami

Struktury chemiczne różnych izomerów, w tym formy E/Z oraz chiralne – reakcje chemiczne inicjowane światłem

Chlorowanie benzenu w obecności światła

Benzen w obecności światła reaguje z chlorem dając 1,2,3,4,5,6-heksachlorocykloheksan. Jest to reakcja addycji, która przebiega bardzo nietypowo jak na związek aromatyczny (który „chroni się” za wszelką cenę, aby nie stracić aromatyczności), gdyż tutaj aromatyczność traci. Co ważne, jest to reakcja, która przebiega stopniowo!

Schemat reakcji chlorowania benzenu w obecności światła, prowadzący do powstania heksachlorocykloheksanu

AgBr i światło

Ale żeby nie mówić ciągle o przypadkach z chemii organicznej wspominamy o jednym, bardzo ważnym historycznie, przypadku z chemii nieorganicznej. Pewnie z lekcji chemii kojarzycie taki związek jak AgCl, a bardziej jego serowaty osad, który ciemnieje na świetle. Ale to nie jedyny przypadek związku srebra, który reaguje pod wpływem światła! Takim przypadkiem jest AgBr, który był kluczowy dla rozwoju fotografii, gdyż był wykorzystywany do wyrobów materiałów fotograficznych (takie jak klisze, które sentymentalnie są z nami do dziś).