Фотохимическое действие света. Фотосинтез как пример фотохимических реакций, Процесс фотосинтеза - Фотохимическое действие света
Любое превращение молекул есть химический процесс.
Химические процессы, протекающие под действием видимого света и ультрафиолетовых лучей, называются фотохимическими реакциями.
Световой энергии достаточно для расщепления многих молекул. В этом проявляется химическое действие света. К фотохимическим реакциям относятся: фотосинтез углеводов в растениях, распад бромистого серебра на светочувствительном слое фотопластинки, взаимодействие хлора с водородом на свету с образованием HCl и многое другое. Выцветание тканей на солнце и образование загара (потемнение кожи человека под воздействием ультрафиолетовых лучей) - это тоже примеры химического действия света.
Процесс фотосинтеза
Важнейшие химические реакции под действием света и солнца происходят во многих микроорганизмах, траве, зеленых листьях деревьев и растений, дающих нам пищу и кислород для дыхания. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород. Происходит это в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Этот процесс называется фотосинтезом.
Фотосинтез - основной процесс в биосфере, ведущий к запасанию энергии света в виде энергии химических связей восстановленных соединений (углеводов), образующихся из СО2 и Н2О. Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид:
Или
Фотосинтез может протекать только под действием света определенного спектрального состава. В изучении строения и значения хлорофилла видное место занимают работы великого русского ученого К. А.Тимирязева.
К. А. Тимирязев исследовал зависимость фотосинтеза от интенсивности света и его спектрального состава и при этом установил, что из углекислого газа, находящегося в воздухе, растения ассимилируют углерод за счет энергии солнечного света. Им было экспериментально подтверждено, что в красных и синих лучах, которые наиболее полно поглощаются хлорофиллом, процессы проходят эффективнее. Именно Тимирязеву принадлежит идея, что хлорофилл как физически, так и химически принимает участие в процессе фотосинтеза. Далее он развил свою теорию и опубликовал работу "Зависимость усвоения углерода от интенсивности света" в 1889 году. По сути, ученый на практике доказал, что процесс фотосинтеза подчиняется закону сохранения энергии и первому закону фотохимии.
Первый закон фотохимии (закон Гротгуса - Дрейпера): химически активны лишь те лучи, которые поглощаются реакционной смесью. Закон Гротгуса-Дрейпера непосредственно связывает химическое действия света с его поглощением веществом.
- - начальная интенсивность светового потока (т. е. до прохождения поглощающего слоя); - интенсивность светового потока после прохождения через слой вещества толщиной ; - концентрация вещества, поглощающего свет; - молярный коэффициент поглощения.
Наиболее важным законом, позволяющим разобраться в механизме фотохимических реакций, является второй закон фотохимии или закон квантовой эквивалентности Штарка-Эйнштейна: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.
Кажется удивительным, что при всей важности фотосинтеза ученые так долго не приступали к его изучению. После эксперимента Ван Гельмонта, поставленного в XVII веке, наступило затишье, и лишь в 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман (1866-1947) провел исследования и установил основные процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается при слабом освещении, что скорость фотосинтеза возрастает с увеличением светового потока, но, начиная с определенного уровня, дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза. Блэкман показал, что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и освещения скорость фотосинтеза возрастает значительно больше, чем при одном лишь усилении освещения.
На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: один из них в значительной степени зависит от уровня освещения, но не от температуры, тогда как второй сильно определяется температурой независимо от уровня света. Это озарение легло в основу современных представлений о фотосинтезе.
Два процесса иногда называют "световой" и "темновой" реакцией, что не вполне корректно, поскольку оказалось, что, хотя реакции "темновой" фазы идут и в отсутствии света, для них необходимы продукты "световой" фазы.
Фотосинтез начинается с того, что излучаемые солнцем фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, -- молекулы хлорофилла. Хлорофилл содержится в клетках листа, в мембранах клеточных органелл хлоропластов (именно они придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул -- эти кластеры принято называть Фотосистемой I и Фотосистемой II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем -- в Фотосистеме I.
Когда фотон сталкивается с 250-400 молекулами Фотосистемы II, энергия скачкообразно возрастает и передается на молекулу хлорофилла. В этот момент происходят две химические реакции: молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула, называемая акцептором электронов) и расщепляется молекула воды. Электроны двух атомов водорода, входивших в молекулу воды, возмещают два потерянных хлорофиллом электрона.
После этого высокоэнергетический ("быстрый") электрон перекидывают друг другу. При этом часть энергии идет на образование молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), одного из основных переносчиков энергии в клетке. Тем временем немного другая молекула хлорофилла Фотосистемы I поглощает энергию фотона и отдает электрон другой молекуле-акцептору. Этот электрон замещается в хлорофилле электроном, прибывшим по цепи переносчиков из Фотосистемы II. Энергия электрона из Фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся ранее при расщеплении молекулы воды, идут на образование НАДФ-Н, другой молекулы-переносчика.
В результате процесса улавливания света энергия двух фотонов запасается в молекулах, используемых клеткой для осуществления реакций, и дополнительно образуется одна молекула кислорода. (Отмечу, что в результате еще одного, значительно менее эффективного процесса с участием одной лишь Фотосистемы I, также образуются молекулы АТФ.) После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает очередь образования углеводов. Основной механизм синтеза углеводов в растениях был открыт Мелвином Кальвином, проделавшим в 1940-е годы серию экспериментов, ставших уже классическими. Кальвин и его сотрудники выращивали водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Им удалось установить химические реакции темновой фазы, прерывая фотосинтез на разных стадиях.
Похожие статьи
-
Введение - Фотохимическое действие света
Оптика - раздел физики, который изучает явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого или близких к нему...
-
Фотохимия - Фотохимическое действие света
Фотохимия - раздел химии, в котором изучаются химические реакции, происходящие под действием света. Фотохимия тесно связана с оптикой и оптическими...
-
Окисление полиэфиров, Действие света и других излучений - Деструкция полимеров полиэтилентерефталата
Полиэфиры при высоких температурах окисляются под влиянием кислорода воздуха. Ввиду этого реакцию получения полиэфиров проводят в атмосфере азота,...
-
Общие понятия и определения. Термодинамический и кинетический критерий реакционной способности химической системы. Скорость химической реакции. Факторы,...
-
Закономерность управления процессом для реакции - Каталитический риформинг
Управлять ХТП - это означает, меняя технологические параметры процесса (температуру, давление, состав сырья, катализатор, скорость перемешивания,...
-
Типы окислительно-восстановительных реакций - Окислительно-восстановительные процессы
Различают три типа окислительно-восстановительных реакций. Межмолекулярные реакции - это реакции, которые протекают с изменением степеней окисления...
-
Понятие о реакциях окисления-восстановления - Окислительно-восстановительные процессы
Комплексные цели: студенты должны: знать, что такое степень окисления атома; что называют восстановителем и окислителем; объяснять суть процессов...
-
На холоду даже дымящаяся серная кислота (олеум) почти не действует на предельные углеводороды, но при высокой температуре она может их окислять. При...
-
Энтальпия. Закон Гесса. Тепловой эффект химической реакции Атом валентность кристалл химический Примем, что единственным видом работы, которую совершает...
-
ВИДНЫЕ ДЕЯТЕЛИ ХИМИИ О КАТАЛИЗЕ - Процесс катализа
И. Берцелиус (1837): "Известные вещества оказывают при соприкосновении с другими веществами такое влияние на последние, что возникает химическое...
-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР - Процесс катализа
Все каталитические реакции - самопроизвольный процесс, т. е. протекают в направлении убыли энергии Гиббса - убыли энергии системы. Давно уже было...
-
Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ: V=dC/dtV. Факторы, влияющие на скорость химических...
-
КАТАЛИЗ - процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами. Катализаторы - вещества,...
-
Для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций можно использовать два метода: метод электронного баланса и метод электронно-ионного...
-
Система усовершенствованных моделей позволяет удовлетворительно воспроизводить кинетику СО-токсичности ДВС при изменении нагрузки, цикловой подачи...
-
Скорость химической реакции. Энергия активации химической реакции Химическая термодинамика изучает возможность, направление и пределы самопроизвольного...
-
Внутренняя энергия термодинамическая функцция состояния системы, ее энергия, определяемая внутренним состоянием. Внутренняя энергия складывается в...
-
Термодинамика - наука о взаимопревращениях различных форм энергии и законах этих превращений. Термодинамика базируется только на экспериментально...
-
Общее понятие о цепных реакциях и автокатализе - Принципы горения и взрыва
К цепным реакциям относят реакции, протекающие с образованием свободных радикалов, способных превращать реагенты в конечные продукты, поддерживая...
-
Энергетический профиль каталитической реакции - Гомогенный и гетерогенный катализ
Энергетический профиль реакции - это кривая, которая показывает зависимость координаты реакции (насколько прошла реакция) от времени (при постоянном...
-
В этом методе сравнивают степени окисления атомов в исходных веществах и в продуктах реакции, при этом руководствуемся правилом: число электронов,...
-
Гомогенный и гетерогенный катализ. Механизм действия катализатора - Основы химии
При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газовая смесь или раствор). При гетерогенном катализе катализатор и...
-
В предыдущих разделах рассмотрены отдельные аспекты кинетики, а теперь пора подвести общие итоги: от чего зависят скорости реакций и как можно ими...
-
ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР - Процесс катализа
Закон Аррениуса - экспериментально установленный факт. Он утверждает, что скорость реакции возрастает с увеличением температуры для преобладающего...
-
Действие на организм, Получение аммиака - Аммиак
Аммиак сильно раздражает слизистые оболочки уже при 0,5%-ном содержании его в воздухе. Острое отравление аммиаком вызывает поражения глаз и дыхательных...
-
1. Какие реакции называются окислительно-восстановительными? 2. Что такое степень окисления? Какие процессы называются "окислением" и "восстановлением"?...
-
Прототипом разработанной автором системы моделей служит "точечная" модель [1], представляющая собой пространственно осредненный вариант уравнений горения...
-
Гомогенный и гетерогенный катализ - Систематика химических элементов
Вещества, увеличивающие скорость химической реакции, называются Катализаторами. Явление возрастания скорости реакции под действием таких веществ,...
-
Электроотрицательность элементов и типы химических связей - Типы связей в органической химии
Элемктроотрицамтельность (ч) (относительная электроотрицательность) -- фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика...
-
ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ. - Строение и превращение веществ
Для получения разнообразных веществ применяются как физические, так и химические методы. К первым относятся, например, растворение в воде, фильтрование и...
-
Второе начало термодинамики. Энтропия Из предыдущих глав мы знаем много обратимых процессов, но есть и необратимые, например: - переход тепла от горячего...
-
Н 2О = О 2- + 2Н+. В Щелочной среде атомы кислорода можно взять из гидроксид-ионов, при этом образуются молекулы воды: 2ОНЇ = О 2- + Н 2О. Пример 1....
-
Электрохимические процессы, Электродный потенциал - Систематика химических элементов
Электродный потенциал Электрохимические процессы - Это процессы взаимного превращения химической и электрической форм энергии. Их можно разделить на две...
-
Введение - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика. Солнечная инженерия является одним из направлений, над которым работают ученые. Состоит...
-
Модель твердофазной цепной реакции - Кинетические закономерности взрывного свечения азида серебра
Кинетический серебро свечение дезактивация В [1, с. 152] сформулирован ряд основных свойств энергетической твердофазной цепной реакции: 1. Носителями...
-
Реагенты Продукты, Все химические реакции обратимы, Вопросы - Химическое равновесие
Все химические реакции обратимы Это означает, что в реакционной смеси протекает как взаимодействие реагентов, так и взаимодействие продуктов. В этом...
-
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ - Аминокислоты и ферменты
Структура и функции ферментов, а также механизм их действия почти ежегодно подробно обсуждаются на многих международных симпозиумах и конгрессах. Важное...
-
Процессы окисления и восстановления - Окислительно-восстановительные процессы
Реакции, которые сопровождаются изменением степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ, называются...
-
В термодинамике понятие "энтропия" было введено Р. Клаузиусом (1865), который показал, что процесс превращения теплоты в работу следует общей физической...
-
Учение о химических процессах - это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. На этом уровне...
Фотохимическое действие света. Фотосинтез как пример фотохимических реакций, Процесс фотосинтеза - Фотохимическое действие света