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Reações fotoquímicas


Reações fotoquímicas são reações químicas que ocorrem na presença de luz, geralmente envolvendo a absorção de fótons. Essas reações desempenham um papel importante em uma variedade de processos químicos e biológicos, e são importantes em muitas áreas diferentes da química, incluindo a química orgânica.

Uma reação fotoquímica começa quando uma molécula absorve um quantum de luz, frequentemente representado como um fóton, e se torna excitada de seu estado fundamental para um estado energético mais alto. Este estado excitado pode fazer a molécula participar de reações que normalmente não faria.

Mecanismo das reações fotoquímicas

Quando uma molécula absorve luz, ela se move de um estado energético mais baixo (estado fundamental) para um estado energético mais alto (estado excitado). Este processo pode ser resumido por uma equação simples:

reagente + hν → reagente excitado

Aqui, hν denota a energia do fóton de luz absorvida. O reagente excitado pode passar por vários processos possíveis:

  1. Emissão: A molécula pode retornar ao seu estado fundamental emitindo um fóton, um processo conhecido como fluorescência ou fosforescência.
  2. Fragmentação: A molécula excitada pode se dividir em dois ou mais fragmentos.
  3. Rearranjo: A molécula pode sofrer um rearranjo estrutural resultando na formação de novos produtos.
  4. Reação com outra molécula: A molécula excitada pode reagir com outra molécula para formar novos produtos.

Exemplo: fotossíntese

Uma das reações fotoquímicas mais conhecidas é a fotossíntese, o processo pelo qual plantas, algas e algumas bactérias convertem energia luminosa em energia química armazenada em glicose:

6 CO 2 + 6 H 2 O + energia luminosa → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

Nesse processo, a clorofila absorve luz e excita elétrons que ajudam a converter dióxido de carbono e água em glicose e oxigênio.

Tipos de estados excitados

As moléculas podem ter vários estados excitados, principalmente estados singleto e tripleto, determinados pelo spin dos elétrons.

Estados singleto e tripleto

Estado singleto: Neste estado, os spins dos elétrons no estado excitado estão emparelhados.

Estado singleto Estado fundamental

Estado tripleto: Aqui os spins dos elétrons não estão emparelhados e, devido à sua estrutura, geralmente está em energia mais baixa que o estado singleto.

Estado tripleto Estado singleto

A transição do estado singleto para o estado tripleto é conhecida como cruzamento intersistema. Reações no estado tripleto frequentemente são mais lentas que as reações no estado singleto, mas podem prosseguir por diferentes caminhos.

Cinética de reação fotoquímica

A cinética das reações fotoquímicas pode ser complexa devido ao envolvimento de estados excitados. Essas reações são geralmente mais rápidas que as reações térmicas porque envolvem estados intermediários altamente reativos.

Leis de taxa: As taxas de reação fotoquímica são afetadas por muitos fatores, incluindo a intensidade da luz, a concentração dos reagentes e a presença de quaisquer extintores ou inibidores que possam interagir com os estados excitados.

Rendimento quântico

Um conceito importante em reações fotoquímicas é o rendimento quântico, que mede o número de moléculas que reagem por fóton de luz absorvida. O rendimento quântico pode ajudar a determinar a eficiência de uma reação fotoquímica.

Rendimento quântico (Φ) = (número de moléculas reagindo) / (número de fótons absorvidos)

Aplicações de reações fotoquímicas

Reações fotoquímicas têm inúmeras aplicações em vários campos, incluindo medicina, ciência dos materiais e estudos ambientais.

Fotoquímica na medicina

Na medicina, as reações fotoquímicas são usadas na terapia fotodinâmica (PDT) para tratar certos tipos de câncer. Neste tratamento, um agente fotossensibilizante é ativado por luz para gerar espécies reativas de oxigênio que visam e destroem células cancerígenas.

Fotoquímica ambiental

Reações fotoquímicas desempenham um papel vital na degradação de poluentes no meio ambiente, resultando na desintegração de compostos nocivos na presença de luz solar.

Reações fotoquímicas comuns na química orgânica

Na química orgânica, várias reações fotoquímicas são comumente estudadas, incluindo isomerização, dimerização e várias reações de adição.

Isomerização

A isomerização fotoquímica envolve a conversão de uma molécula de uma forma isomérica para outra após a absorção de luz.

Exemplo: cis-2-buteno (exposto à luz) → trans-2-buteno

Dimerização

A dimerização é um processo no qual duas moléculas se combinam para formar um dímero. Na fotoquímica, pode ser induzida pela luz UV.

Exemplo: 2 moléculas de antraceno (luz UV) → dímero de antraceno

[2+2] Cicloadição

Cicloadições [2+2] são uma classe de reações onde dois alcenos ou alcinos reagem na presença de luz para formar produtos de ciclobutano.

Exemplo: 2 moléculas de etileno (luz UV) → ciclobutano

Explorando diagramas de energia

Diagramas de energia podem ajudar a visualizar transições do estado fundamental para o estado excitado e possíveis caminhos de reação.

Estado fundamental Estado excitado

No diagrama acima, vemos um perfil de energia com o estado fundamental e o estado excitado, mostrando a mudança de energia durante a reação fotoquímica.

Conclusão

Reações fotoquímicas são essenciais na química orgânica e em outros campos científicos devido às suas propriedades e aplicações únicas. Compreender os mecanismos, a cinética e as aplicações dessas reações pode fornecer insights sobre seu enorme potencial e relevância.


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