第九章光化学 9.1本章学习要求 本章为打“*”号的内容。 1.要求学生初步掌握光化学反应的特点及其基本规律 2.了解光化学反应的初级过程、次级过程、量子效率等 3.对光化学反应的机理和动力学有所了解。 9.2内容概要 9.2.1光化学反应的基本规律 光化学反应( photochemistry reaction)是在光作用下,反应物处于激发态 ( excited state)所发生反应的反应。相对于光化学反应,普通化学反应中, 反应物处于基态( ground state),故称为热反应( thermal reaction)。光反 应和热反应的对比见表9-1。反应物发生的光电离、光离解、光异构化、被光活 化的分子所参与的其它反应等均为光反应。 表9-1光反应和热反应对比 光反应 热反应 反应后体系的Gibs自 由能 可能升高 只会降低 反应活化能的来源 吸收的光量子 从环境吸收的 热 升高温度 对反应速率几乎无影响 反应速率加快 入射光的频率、强度对反应历程,反应速率等都可能有很大 影响 无影响 光化学第一定律( the first law of photochemistry)只有被反应物分子 (原子)吸收的光才能有效地引发光化学反应。光化学第一定律也称为 Grotthuss- Draper(格罗塞斯一德雷帕)定律
*第九章 光化学 9.1 本章学习要求 本章为打“*”号的内容。 1. 要求学生初步掌握光化学反应的特点及其基本规律； 2. 了解光化学反应的初级过程、次级过程、量子效率等； 3. 对光化学反应的机理和动力学有所了解。 9.2 内容概要 9.2.1 光化学反应的基本规律 光化学反应(photochemistry reaction)是在光作用下，反应物处于激发态 （excited state）所发生反应的反应。相对于光化学反应，普通化学反应中， 反应物处于基态（ground state），故称为热反应（thermal reaction）。光反 应和热反应的对比见表 9-1。反应物发生的光电离、光离解、光异构化、被光活 化的分子所参与的其它反应等均为光反应。 表 9-1 光反应和热反应对比 因 素 光 反 应 热 反 应 反应后体系的 Gibbs 自 由能 可能升高 只会降低 反应活化能的来源 吸收的光量子 从环境吸收的 热 升高温度 对反应速率几乎无影响 反应速率加快 入射光的频率、强度 对反应历程，反应速率等都可能有很大 影响 无影响 光化学第一定律（the first law of photochemistry）只有被反应物分子 （原子）吸收的光才能有效地引发光化学反应。光化学第一定律也称为 Grotthuss-Draper（格罗塞斯一德雷帕）定律
光化学第二定律( second law of photochemistry);在光化学反应的初级 过程中,被活化的反应物分子(原子)数等于被吸收的光量子数。这也称为 Stark- Einstein(斯塔克一爱因斯坦)定律,或 Einstein光当量定律。 个光量子可活化一个分子,1mo光量子的总能量称为一个 Einstein,用 U表示: U =Lh u= Lhc/i 式中L为 Avogadro常数,6.02×102mol;h为 Planck常数,6.63×103J. D为光的频率;A为光的波长;c为光速,3×10m.s。 9.2.2光化学反应的初级过程和次级过程 反应物吸收光量子直接引起的过程称为初级过程( primary process),包 括光物理过程和光化学过程 初级过程中产生的活性中间体引发的其它反应称为次级过程( secondary process)。严格地说,次级过程不是光化学步骤,而是热化学步骤。 光化学反应中消耗的反应物分子数与体系吸收的光量子数之比称为量子效 率( quantum efficiency),用φ表示。 反应消耗的反应物分子数 体系所吸收的光量子数 显然初级过程的量子效率均为1,而光化学反应的总量子效率取决于反应历 程,有的光反应φ大于1,有的光反应φ小于1或等于1 9.2.3光化学反应的历程及其动力学 反应物在光化学反应的初级过程中吸收光子,成为激发态。处于激发态的分 子可通过释热、发光(荧光 fluorescence,磷光 phosphorescence)等途径失去 能量,回到基态,也可能进一步发生反应。激发态反应分子D*可发生的反应有 以下几种类型: (1)D*直接生成产物P
光化学第二定律（second law of photochemistry）；在光化学反应的初级 过程中，被活化的反应物分子（原子）数等于被吸收的光量子数。这也称为 Stark-Einstein（斯塔克一爱因斯坦）定律，或 Einstein 光当量定律。 一个光量子可活化一个分子，1mol 光量子的总能量称为一个 Einstein，用 U 表示： U = Lhυ= Lhc/λ 式中 L 为 Avogadro 常数，6.02×1023mol-1；h 为 Planck 常数，6.63×10-34 J.s； υ为光的频率；λ 为光的波长；c 为光速，3×108 m.s -1。 9.2.2 光化学反应的初级过程和次级过程 反应物吸收光量子直接引起的过程称为初级过程（primary process），包 括光物理过程和光化学过程。 初级过程中产生的活性中间体引发的其它反应称为次级过程（secondary process）。严格地说，次级过程不是光化学步骤，而是热化学步骤。 光化学反应中消耗的反应物分子数与体系吸收的光量子数之比称为量子效 率（quantum efficiency），用φ表示。 反应消耗的反应物分子数 φ = ———————————— 体系所吸收的光量子数 显然初级过程的量子效率均为 1，而光化学反应的总量子效率取决于反应历 程，有的光反应φ大于 1，有的光反应φ小于 1 或等于 1。 9.2.3 光化学反应的历程及其动力学 反应物在光化学反应的初级过程中吸收光子，成为激发态。处于激发态的分 子可通过释热、发光（荧光 fluorescence，磷光 phosphorscence）等途径失去 能量，回到基态，也可能进一步发生反应。激发态反应分子 D*可发生的反应有 以下几种类型： （1）D*直接生成产物 P D* P
(2)D*先生成活性中间体(或自由基)B,B再进一步反应生成产物P或失 活回到基态D (3)D*将能量传给另一基态物质A,使A激发成A*,而自身失活回到基态。 A*再进一步反应得到产物或失活回到基态 这类反应称为光敏反应或感光反应( photosensitization),D*在反应中作 为能量给体,将吸收光量子获得的能量传递给不能吸收光的能量受体A,使之激 发成A*。D不参与化学反应,称之为光敏剂或感光剂( sensitizer)。 光化学反应的初级过程速率与入射光的强度成正比,与反应物的浓度无关。次级 过程的速率方程与热反应的速率表达式相同。故研究光化学反应的动力学时必须 综合考虑初级过程和次级过程。 9.3例题和习题解答 例9.1波长280nm的紫外光U值是多少?每一个光子的能量是多少? 解:U=Lhc/λ=6.02×10mo1-×6.63×103J.S×3×10m.s/280×10m =427.6KJ.mo1 每一个光子的能量为U/L=427.6×10.mo1/6.02×102mo1 7.10×10J 例9.2某有机物吸收549.5nm波长的光,发生光化学反应,已知 2.3 Einstein的光可激活0.050mo1反应物分子,求反应的量子效率φ和反应进 度ξ=lmol时吸收的总能量 激活的反应物分子数0.050mo1×6.03×10mo1 =0.0216 吸收的光量子数 2.31×6.02×102mo11 当ξ=1mol时吸收的总能量 1mo1×6.02×102mol×6.62×103J.S×3×10m.s
（2）D*先生成活性中间体（或自由基）B，B 再进一步反应生成产物 P 或失 活回到基态 D。 （3）D*将能量传给另一基态物质 A，使 A 激发成 A*，而自身失活回到基态。 A*再进一步反应得到产物或失活回到基态。 这类反应称为光敏反应或感光反应（photosensitization），D*在反应中作 为能量给体，将吸收光量子获得的能量传递给不能吸收光的能量受体 A，使之激 发成 A*。D 不参与化学反应，称之为光敏剂或感光剂（sensitizer）。 光化学反应的初级过程速率与入射光的强度成正比，与反应物的浓度无关。次级 过程的速率方程与热反应的速率表达式相同。故研究光化学反应的动力学时必须 综合考虑初级过程和次级过程。 9.3 例题和习题解答 例 9.1 波长 280nm 的紫外光 U 值是多少？每一个光子的能量是多少？ 解：U=Lhc/λ=6.02×1023mol-1×6.63×10-34J.S×3×108 m.s -1 /280×10-9 m =427.6KJ.mol-1 每一个光子的能量为 U/L=427.6×103 J.mol-1 /6.02×1023mol-1 =7.10×10-19J 例 9.2 某有机物吸收 549.5nm 波长的光，发生光化学反应，已知 2.31Einstein 的光可激活 0.050mol 反应物分子，求反应的量子效率φ和反应进 度ξ=1mol 时吸收的总能量。 激活的反应物分子数 0.050mol×6.03×1023mol-1 解：φ= —————————— = ————————————=0.0216 吸收的光量子数 2.31×6.02×1023mol-1 当ξ=1mol 时吸收的总能量 1mol×6.02×1023mol-1×6.62×10-34J.S×3×108 m.s -1 E=ξ·U/φ=—————————————————————
549.6×10°m×0.0216 =1.009×10KJ 例9-3某光化学反应中每吸收8个波长600nm的光子可使水和二氧化碳 生成一个碳水化合物产物分子。该产物的燃烧热为468.6KJ.mol。求反应中吸 收的光能转化为化学能的转化率。 解 U Lhc/a 6.02×102mo1×6.63×10J.S×3×10m.s/600×10°m 199 6KJ. mol 生成1mol产物吸收光能 E=8U=8×199.6KJ.mo1=1596.8KJ.mol 能量转化率η=△cHm/E=468.6×10J.mo1/1596.8×10J.mol 0.2935 习题9-1某光离解反应中,需要478.6KJ.mol-的能量破坏化学键。选 用什么波长的光来照射比较合适 解 U Lhc/i 478.6×103J.mol=6.02×102mo×6.63×10J.S×3×10°m.s4/ λ=2.50×10m=250nm 习题9-2萘激发后发射荧光和磷光,设光的衰减符合一级反应速率方程。 荧光的半衰期为1.5×10°s,磷光的半衰期为1.4s,求萘激发后荧光和磷光分别 衰减到1%所需的时间。 设荧光和磷光分别衰减到1%所需时间为t(I)和t(I 解:一级反应半衰期t2=ln2/k 级反应速率方程ln-=k a-X
549.6×10-9 m×0.0216 =1.009×104 KJ 例 9-3 某光化学反应中每吸收 8 个波长 600nm 的光子可使水和二氧化碳 生成一个碳水化合物产物分子。该产物的燃烧热为 468.6KJ.mol-1。求反应中吸 收的光能转化为化学能的转化率。 解： U = Lhc/λ = 6.02×1023mol-1×6.63×10-34J.S×3×108 m.s -1 /600×10-9 m =199.6KJ.mol-1 生成 1mol 产物吸收光能 E = 8U = 8×199.6KJ.mol-1 = 1596.8KJ.mol-1 能量转化率 η = ∆cHm/E = 468.6×103 J.mol-1 /1596.8×103 J.mol = 0.2935 习题 9-1 某光离解反应中，需要 478.6KJ.mol-1的能量破坏化学键。选 用什么波长的光来照射比较合适？ 解： U = Lhc/λ 478.6×103 J.mol-1 = 6.02×1023mol-1×6.63×10-34J.S×3×108 m.s -1 /λ λ=2.50×10-7 m=250nm 习题 9-2 萘激发后发射荧光和磷光，设光的衰减符合一级反应速率方程。 荧光的半衰期为 1.5×10-8 s，磷光的半衰期为 1.4s，求萘激发后荧光和磷光分别 衰减到 1%所需的时间。 设荧光和磷光分别衰减到 1%所需时间为 t(Ⅰ)和 t(Ⅱ) 解：一级反应半衰期 t1/2 = ln2/k a 一级反应速率方程 ln ——— = kt a-x
衰减到1%时a-x=0.0la 对于荧光k(I)=1n2/t=4.6×10s k(it(i) 0.0la t(I)=1.0×10s 对于磷光k(I)=1n2/t12=0.495s (IDt(Il) t(I)=9.3s 习题9-3某光化学反应吸收510nm波长的光,每吸收1.5的光可使 0.05lmol的分子激发,求该反应的量子效率和激发lmol分子的能量 0. 051mol 0.034 1. 5mol 活化lmol分子所需能量 E=U/φ=Lhc/λ 6.02×102mo1×6.63×103J.S×3×10m.s/510×10m×0.034 =6900K 习题9-4光化学反应和热反应的主要差别在哪几方面? 答:发生光化学反应时反应物吸收光量子被激发而发生反应;反应进行时体 系的 Gibbs自由能常常升高:光化学反应的速率基本上不受温度的影响,但入射 光的频率与强度对光化学反应影响很大。发生热反应时,体系从环境吸热(活化
衰减到 1%时 a-x = 0.01a 对于荧光 k(Ⅰ)= ln2 /t1/2 = 4.6×107 s -1 a ln ——— = k(Ⅰ)t(Ⅰ) 0.01a t(Ⅰ) = 1.0×10-7 s 对于磷光 k(Ⅱ) = ln2 /t1/2 = 0.495s-1 a ln ——— = k(Ⅱ)t(Ⅱ) 0.01a t(Ⅱ) = 9.3s 习题 9-3 某光化学反应吸收 510nm 波长的光，每吸收 1.5U 的光可使 0.051mol 的分子激发，求该反应的量子效率和激发 1mol 分子的能量。 解：n 0.051mol φ= —— = ————— = 0.034 Io 1.5mol 活化 1mol 分子所需能量 E = U/φ= Lhc/λφ = 6.02×1023mol-1×6.63×10-34J.S×3×108 m.s -1 /510×10-9 m×0.034 = 6900KJ 习题 9-4 光化学反应和热反应的主要差别在哪几方面？ 答：发生光化学反应时反应物吸收光量子被激发而发生反应；反应进行时体 系的 Gibbs 自由能常常升高；光化学反应的速率基本上不受温度的影响，但入射 光的频率与强度对光化学反应影响很大。发生热反应时，体系从环境吸热（活化
能)而发生反应;反应进行时体系的 Gibbs自由能降低;反应速率随温度升高而 加快;入射光的波长与强度对热反应没有影响 习题9-5光敏反应的特点是什么? 答:光敏反应也称为感光反应。反应物分子不能吸收光子,光敏物质吸收光 子激发后,将能量传递给反应物分子使之激发并进一步反应,而光敏物质失去能 量后回复到基态,自身并不发生反应
能）而发生反应；反应进行时体系的 Gibbs 自由能降低；反应速率随温度升高而 加快；入射光的波长与强度对热反应没有影响。 习题 9-5 光敏反应的特点是什么？ 答：光敏反应也称为感光反应。反应物分子不能吸收光子，光敏物质吸收光 子激发后，将能量传递给反应物分子使之激发并进一步反应，而光敏物质失去能 量后回复到基态，自身并不发生反应