क्या प्रकाश फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाओं में एक अभिकारक है?
आईयूपीएसी के अनुसार प्रकाश के अवशोषण के कारण होने वाली एक फोटोकैमिकल प्रतिक्रिया होती है। मैं अभी भी समझ नहीं पा रहा हूं कि हमें प्रकाश को प्रतिक्रिया के एक भाग के रूप में कैसे समझना चाहिए। उत्प्रेरक या अभिकारक है?
कुछ प्रतिक्रियाओं में वहाँ है $hν$प्रतिक्रिया तीर के ऊपर संकेतन। उदाहरण के लिए हमारी निम्नलिखित प्रतिक्रिया हो सकती है:
$$\ce{A ->[$एचपीओ$] B}$$
मैं समझना चाहता हूं कि प्रकाश प्रतिक्रियाओं और रासायनिक संतुलन को कैसे प्रभावित करता है। मैं कहीं-कहीं फोटोसिओमेरीकरण के बारे में पढ़ता हूं और यह कि कम थर्मोडायनामिक स्थिर उत्पाद का पक्षधर है और इससे मुझे लगता है कि यह कैसे संभव है कि संतुलन के मूल्य में लगातार बदलाव हो (एक "प्रतिक्रिया" के रूप में इंटरकनेक्टोवर पर विचार करना)।
प्रकाश प्रकाश में प्रकाश
जब एक अणु एक फोटॉन को अवशोषित करता है तो वह एक उत्तेजित अवस्था में चला जाता है। यह प्रक्रिया एक संभावना कारक से जुड़ी है, इसे कॉल करने की सुविधा देता है$P$। हम इस तरह के एक संक्रमण के रूप में लिख सकते हैं:
$$\ce{A + $एचपीओ$ -> A^*}$$
मान लीजिए हमारे पास अणुओं वाला एक बॉक्स है $\ce{A}$यह शुरू में एक बंद प्रणाली है। वह फोटॉन बॉक्स में प्रवेश कर सकता है। अब हम बॉक्स में विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के एक लेज़र और पंप फोटॉन का उपयोग करते हैं और उसके बाद हम सिस्टम को अलग करते हैं, जो कि कोई भी ऊर्जा सिस्टम में या उससे बाहर नहीं जा सकती है। ऊपर तीर करता है$\ce{->}$एक प्रतिक्रिया का मतलब है? मैं सोच रहा था कि अगर$P = 0.2$ फिर प्रकाश बॉक्स में प्रवेश करने के बाद हमारे पास होगा $[\ce{A}^*] = 0.2$ तथा $[\ce{A}] = 0.8,$ इसलिए संतुलन स्थिर रहेगा $\displaystyle K = \frac{0.2}{0.8} = 0.25$ (मैंने सादगी के लिए एकाग्रता इकाइयों को छोड़ दिया है)।
लेकिन इसका कोई मतलब नहीं है क्योंकि पहले एक नया थर्मल संतुलन पहुंच जाएगा और सापेक्ष सांद्रता (आबादी) बोल्ट्जमैन वितरण के अनुसार होगी। दूसरे अगर यह वास्तव में एक प्रतिक्रिया है तो हमें प्रकाश को भी शामिल करना चाहिए। इसके अलावा, एकाग्रता$[\ce{A^*}]$ घटना प्रकाश की तीव्रता पर निर्भर होना चाहिए।
तो क्या फोटॉन अवशोषण केवल एक शारीरिक प्रक्रिया है और इसलिए रासायनिक संतुलन अवधारणा लागू नहीं होती है? मैंने सोचा था कि अगर फोटोबेसोरेशन इस तरह एक संतुलन तक पहुँचता है तो:
$$\ce{A <=> A^*}$$
फिर सीआईएस से एक यौगिक के ट्रांस में एक दूसरे से जुड़ने के लिए $\ce{A}:$
$$\ce{A_\textit{cis} <=> A_\textit{trans}}$$
एक आइसोमर के उत्तेजित अवस्था को आबाद करके संतुलन की स्थिति बदलनी चाहिए। लेकिन फिर भी इसका कोई मतलब नहीं है क्योंकि गिब्स की प्रतिक्रिया की मुफ्त ऊर्जा परिवर्तन दोनों उत्पादों और रिएक्टेंट्स की जमीन और उत्साहित राज्यों को ध्यान में रखते हैं।
रासायनिक प्रतिक्रियाओं में प्रकाश
पहला अंकन $hν$एक उत्प्रेरक के रूप में सोचा नहीं जा सकता क्योंकि इसका कोई मतलब नहीं है क्योंकि यह पुनर्जीवित नहीं है। उदाहरण के लिए, मिथेन के क्लोरीनेशन से क्लोरोमेटेन निकलता है
$$\ce{CH4 + Cl2 ->[$एचपीओ$] CH3Cl + HCl}$$
प्रतिक्रिया आरंभ करने के लिए प्रकाश का उपयोग करता है। लेकिन यह किसी भी अन्य चरण में पुनर्जीवित नहीं होता है इसलिए इसे उत्प्रेरक नहीं होना चाहिए। फिर रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रकाश के बारे में कैसे सोचना चाहिए? यह एक प्रतिक्रियावादी है? दूसरे शब्दों में, हम निम्नलिखित तरीके से मीथेन के क्लोरीनीकरण को लिख सकते हैं?
$$\ce{CH4 + Cl2 + $एचपीओ$ -> CH3Cl + HCl}$$
अगर ऐसा है तो क्या हम एक संतुलन स्थिरांक पा सकते हैं जिसमें फोटोन की सांद्रता शामिल है? क्योंकि हर प्रतिक्रिया के लिए ऊष्मप्रवैगिकी के अनुसार एक समान संतुलन स्थिरांक होना चाहिए।
मैं उपरोक्त कारण पूछ रहा हूं क्योंकि जैसा कि मैंने कहा कि मैंने फोटोइसमोराइजेशन के बारे में पढ़ा है और मैं यह नहीं समझ सका कि विकिरण के माध्यम से थर्मोडायनामिक रूप से कम स्थिर उत्पाद का पक्ष कैसे संभव है।
जवाब
यह न तो प्रतिक्रियाशील है और न ही उत्प्रेरक, और संतुलन की अवधारणाएं लागू नहीं होती हैं
फोटोकैमिस्ट्री के अलावा अन्य प्रक्रियाएं हैं जो संतुलन से दूर एक दिशा में जाती हैं। उन्हें यांत्रिक या विद्युत कार्य की आवश्यकता होती है, और इन्हें रासायनिक समीकरण में शामिल करने का कोई स्थापित तरीका नहीं है।
यदि हम बैटरी चार्ज करने के लिए एक वैचारिक समीकरण लिखते हैं, तो यह इस तरह दिख सकता है: $$\text{empty battery} \ce{->} \text{charged battery}$$बाहरी शक्ति स्रोत न तो कोई अभिकारक है और न ही उत्प्रेरक; यह सिस्टम पर काम किया जाता है, जो सिस्टम को रासायनिक संतुलन से दूर ले जाने का काम करता है।
यदि हम एक रेफ्रिजरेटर (या आमतौर पर, एक हीट पंप) के लिए एक वैचारिक समीकरण लिखते हैं, तो यह इस तरह दिख सकता है: $$\text{warm body + warm body} \ce{->} \text{cold body + hot body}$$ फिर से, कंप्रेसर द्वारा किया गया यांत्रिक कार्य न तो कोई अभिकारक है और न ही उत्प्रेरक, और यह सिस्टम को थर्मल संतुलन से दूर ले जाने का कार्य करता है।
दोनों प्रक्रियाओं के लिए, आप यह नहीं कह सकते हैं कि काम की उपस्थिति में, एक संतुलन तक पहुँच जाता है। यह ठीक विपरीत है - हम संतुलन से दूर जा रहे हैं।
[ओपी] तो फोटॉन अवशोषण केवल एक शारीरिक प्रक्रिया है और इसलिए रासायनिक संतुलन अवधारणा लागू नहीं होती है?
फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाएं एक प्रतिक्रिया को संतुलन से दूर ले जा सकती हैं (जैसे कि सीआईएस / ट्रांस आइसोमेरिज़ेशन ओपी उल्लेख के उदाहरण में)। यह इसे एक गैर-संतुलन प्रक्रिया बनाता है, इसलिए संतुलन अवधारणाओं को विस्तारित करने की आवश्यकता है। यदि आप कुछ विकिरणित स्थितियों के तहत स्थिति का वर्णन करना चाहते हैं, तो आप फोटोस्टेटेशन सिस शब्द का उपयोग कर सकते हैं : ट्रांस रेशियो (स्टिलबिन पर अनुभाग देखें)https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/photchem.htm) का है।
[ओपी] मैंने कहीं-कहीं फोटोसिओर्माईज़ेशन के बारे में पढ़ा और यह कि कम थर्मोडायनामिक स्थिर उत्पाद का पक्षधर है और इससे मुझे लगता है कि यह कैसे संभव है कि संतुलन के मूल्य में लगातार बदलाव हो (एक "प्रतिक्रिया" के रूप में इंटरकनेक्टोवर पर विचार करना)।
संतुलन स्थिरांक नहीं बदलता है। प्रतिक्रिया केवल संतुलन के लिए नहीं जाती है (या वास्तव में संतुलन से दूर जाती है)।
[ओपी] पहले संकेतन hν को एक उत्प्रेरक के रूप में नहीं समझा जा सकता क्योंकि यह पुनर्जीवित नहीं होने के कारण इसका कोई अर्थ नहीं है।
प्रतिक्रिया तीर के ऊपर लिखी गई चीजें जरूरी उत्प्रेरक नहीं हैं। सामान्य तौर पर, उस स्थान का उपयोग प्रतिक्रिया स्थितियों के लिए किया जाता है, जैसे कि विलायक, उच्च तापमान, या "भाटा"।
[ओपी] फिर एक रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रकाश के बारे में कैसे सोचना चाहिए? यह एक प्रतिक्रियावादी है?
कुछ पाठ्यपुस्तकों में प्रतिक्रिया या उत्पाद के रूप में "ऊष्मा" लिखी जाती है, जो पहले से ही समझ में नहीं आती है (लेकिन इसका उपयोग Le Chatelier सिद्धांत के संयोजन में किया जाता है ताकि यह याद रखा जा सके कि कैसे तापमान के साथ संतुलन लगातार परिवर्तन होता है)। फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाओं के लिए, हालांकि, फोटॉन की भूमिका के लिए एक स्टोइकोमेट्रिक पहलू है; हर प्रतिक्रिया के लिए, एक फोटॉन को कैप्चर करना होगा।
एक व्यापक प्रकाशित उपचार
इस पत्र का सार (परिप्रेक्ष्य - जीवन और फोटॉन की मृत्यु: फोटोकैमिस्ट्री और थर्मोकैमिस्ट्री के बीच एक सहज गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक भेद) फोटोकॉपी प्रतिक्रियाओं के लिए कुछ गलत धारणाओं को संबोधित करता है। यह थोड़ा लंबा है, इसलिए मैं इसे छोटे हिस्सों में तोड़ रहा हूं।
सबसे पहले, यह बताता है कि फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाओं में फोटॉन रासायनिक अभिकारक नहीं हैं:
न तो थर्मोडायनामिक रूप से निर्धारित संभाव्यता इज़ोटेर्म और न ही इसकी काइनेटिक रूप से प्रकट दर इज़ोटेर्म को फोटो-अवशोषक प्रतिक्रियाओं पर लागू किया जा सकता है जैसे कि प्रतिभागियों, फोटॉन सहित, माना जा सकता है जैसे कि वे रासायनिक रिएक्टर थे। फोटॉनों और रासायनिक अभिकारकों को मौलिक रूप से एक-दूसरे से भिन्न होता है: सबसे पहले, एक फोटॉन की ऊर्जा निरपेक्ष है और वर्तमान पेपर के लिए व्यावहारिक प्रासंगिकता के सभी उदाहरणों में, अपने आसपास के विद्युत रासायनिक क्षेत्र से स्वतंत्र है, जबकि एक रासायनिक प्रतिक्रिया करने वाले की ऊर्जा सापेक्ष और इसके द्वारा परिभाषित है। आसपास का क्षेत्र; दूसरे, जबकि फोटॉनों और रासायनिक अभिकारकों दोनों एन्ट्रापी निर्माण में संलग्न और कर सकते हैं, केवल रासायनिक अभिकारक एंट्रोपी विनिमय में संलग्न हो सकते हैं।
इसके बाद संतुलन की अवधारणाओं का उपयोग करते हुए फोटोकैमिकल प्रक्रियाओं के इलाज की गलती को संबोधित किया जाता है:
इन अंतरों के स्पष्टीकरण के लिए प्रकाश और आदर्श गैसों के बीच खींची गई उपमाओं के अनुचित अतिरेक से उत्पन्न होने वाली फोटोकैमिकल थिंकिंग में मूलभूत ऐतिहासिक त्रुटियों को पहचानने और छोड़ने की आवश्यकता होती है, और इसमें शामिल हैं: प्रतिवर्ती रासायनिक प्रतिक्रिया के रूप में फोटो-अवशोषण का उपचार; थर्मल क्षमता, या तापमान (एक 'तापमान हस्ताक्षर' के आदर्शित अमूर्त से अलग के रूप में) के प्रकाश के लिए गति; विनिमेय एन्ट्रापी सामग्री के प्रकाश के लिए गति।
फिर, यह बताता है कि इन प्रक्रियाओं में एन्ट्रापी कैसे भूमिका निभाती है:
हम एन्ट्रापी के बारहमासी गलतफहमी अवधारणा के बारे में व्यापक गलतफहमी को संबोधित करने से शुरू करते हैं और एन्ट्रापी निर्माण और एन्ट्रापी एक्सचेंज के बीच अक्सर अनदेखी भेद। इन स्पष्टीकरणों के साथ, हम ऊर्जा के अवशोषण और प्रकाश संश्लेषण प्रक्रियाओं में स्थानांतरण के लिए एक उपयोगी दृष्टिकोण पर पहुंचते हैं, जो संरचित चयापचय मार्गों के भीतर मेटास्टेबल उत्तेजित राज्यों के रासायनिक 'अपहरण' के माध्यम से, उन परिणामों को प्राप्त करता है जिन्हें दूसरा थर्मल रासायनिक प्रतिक्रियाओं से इनकार करता है
रासायनिक प्रतिक्रियाओं के रिएक्टेंट्स और उत्पाद (साथ ही उत्प्रेरक, सॉल्वैंट्स और अन्य रसायन जो एक प्रतिक्रिया में भाग ले सकते हैं) पदार्थ के प्रकार हैं । पदार्थ के बारे में सोचा जा सकता है कि आंतरिक रूप से द्रव्यमान और आयतन दोनों होते हैं, हालांकि लिंक किए गए विकिपीडिया लेख अधिक जानकारी और अलग-अलग मामलों में भिन्न होंगे।
भले ही कोई भी बात आमतौर पर परिभाषित क्यों न हो, फोटॉन (और सामान्य रूप से ऊर्जा) कोई फर्क नहीं पड़ता। उन्हें शून्य द्रव्यमान माना जाता है और यह मात्रा पर कब्जा नहीं करता है। इस प्रकार, उनके पास रासायनिक समीकरणों में कोई वास्तविक स्थान नहीं है जो मुख्य रूप से पदार्थ से निपटते हैं।
इसके बजाय, फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाओं में फोटॉन को एक ऊर्जा स्रोत के रूप में सबसे अच्छा माना जाता है जो एक निश्चित अणु पर ऊर्जा की असतत राशि को स्थानांतरित करेगा। जबकि रासायनिक साहित्य में फोटोकटलिस्ड जैसे शब्दों को बहुत सारे के आसपास फेंक दिया जाता है, ये एक सटीक विवरण के बजाय एक सादृश्य के रूप में सबसे अच्छी तरह से समझा जाता है।
रिकॉर्ड के लिए, भले ही उत्प्रेरक अक्सर प्रतिक्रिया तीरों के ऊपर लिखे जाते हैं, लेकिन मूल उत्प्रेरक के साथ शुरू होने वाले एक विस्तृत कदम-दर-चरण यांत्रिकी चक्र को वर्तनी करना हमेशा संभव होता है, जिसमें विभिन्न कदम उठाने से उत्प्रेरक और अभिकर्मकों को संशोधित और समाप्त होता है। एक ऐसी प्रतिक्रिया के साथ जो उत्प्रेरक को पुन: उत्पन्न करती है। ये प्रतिक्रियाएं आवश्यक रूप से संतुलित हैं और, जैसा कि पहले पैराग्राफ में लिखा गया है, पूरी तरह से मामले को शामिल करता है।
अणुओं के प्रकाश-विघटन जैसे $\ce{Cl2}$ मूल रूप से पृथक्करण अणु की सांद्रता में पहली क्रम प्रतिक्रिया है, दर के साथ फोटॉन फ्लक्स के बराबर होती है $\phi$ अवशोषण क्रॉस सेक्शन से गुणा किया जाता है $A_x$ पृथक्करण अणु: $$-\frac{\mathrm d[\ce{Cl2}]}{\mathrm dt}=+2\frac{\mathrm d(\ce{Cl^.})}{\mathrm dt}=k[\ce{Cl2}]$$साथ से $$k=\phi A_x$$उसके बाद, दूसरी प्रतिक्रिया में मिथेन के साथ विषम क्लोरीन परमाणु प्रतिक्रिया कर सकते हैं: $$\ce{CH4 + Cl^. -> CH3^. + HCl}$$और यह $\ce{CH3^.}$ कट्टरपंथी बाद की प्रतिक्रियाओं में भाग ले सकते हैं।
बेशक दर स्थिर के लिए समीकरण को भी तरंग दैर्ध्य पर एकीकृत करना होगा।
प्रकाश एक प्रतिक्रियाशील है या नहीं, इसके शब्दों के बारे में बहुत अधिक चिंता न करें। यह मूल रूप से शब्दार्थ को उबालता है। वैसे भी फोटॉन क्या है? ऊर्जा का एक पैकेट? फिर पैकेट क्या है? फेनीमैन (नोबेल पुरस्कार विजेता, भौतिकी) ने कहीं एक कहानी लिखी है कि एक नवनिर्मित पीएचडी के रूप में, उनके पिता ने उनसे पूछा कि एक सहज उत्सर्जन (फोटॉन का) क्या है।
उसने कहा: “तुम कैसे हो? । । एक कण फोटॉन के बाहर आने के बारे में सोचो [परमाणु] के बिना यह उत्तेजित अवस्था में था? ”
मैंने कुछ मिनट सोचा और मैंने कहा: “मुझे क्षमा करें। मुझें नहीं पता। मैं इसे आपको समझा नहीं सकता। ”
ऑक्सफोर्ड यूनिवर्सिटी प्रेस द्वारा ब्रूस डब्ल्यू। शोर द्वारा एक 500 पृष्ठांकित पुस्तक आवर चेंजिंग व्यूज़ ऑफ फोटॉन्स: ए ट्यूटोरियल ।
आप जटिलता का एहसास कर सकते हैं!
आप सभी को चिंता करने की ज़रूरत है कि फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाओं का गणित और कैनेटीक्स है। क्या प्रकाश एक उत्प्रेरक है, क्या यह एक अभिकारक है, क्या यह एक उत्पाद है? कई प्रतिक्रियाएं हैं जो प्रकाश का उत्सर्जन करती हैं। क्या मुझे "उत्पादों" में से एक के रूप में कॉल करना चाहिए। ये सभी भराव शब्द हैं। हां, फोटोन की संख्या महत्वपूर्ण है और उनकी ऊर्जा एक प्रतिक्रिया में महत्वपूर्ण है जो प्रकाश से प्रभावित होती है। आइंस्टीन के नियमों को फोटोकैमिस्ट्री में देखें।
मैं फोटॉन को प्रतिक्रियाओं में रसायनों की तरह काम करने के लिए विचार करूंगा। अंतर यह है कि यद्यपि उन्हें ऊर्जा और रैखिक और कोणीय गति के संरक्षण का पालन करना पड़ता है, उनकी संख्या को संरक्षित नहीं किया जाता है, इसलिए हम फोटॉन की गिनती करके रासायनिक समीकरण को संतुलित नहीं कर सकते हैं। यह स्पष्ट होना चाहिए कि उन्हें अणुओं द्वारा अवशोषित किया जा सकता है और एक प्रकाश छड़ी के रूप में उत्सर्जित किया जा सकता है।
फोटॉन के लिए अभी भी एक प्रभावी रासायनिक संतुलन है, ब्लैकबॉडी विकिरण के बारे में सोचें । उत्प्रेरक के रूप में - ठीक है, एक साधारण रासायनिक प्रतिक्रिया में (सजातीय) उत्प्रेरक प्रतिक्रिया के एक चरण में एक और प्रजाति में बदल जाता है, उच्च या निम्न ऊर्जा के साथ, फिर बाद के चरण में पुनर्जीवित हो जाता है। पुनर्जनन अपरिहार्य है क्योंकि संख्या संरक्षण कानून में रासायनिक उत्प्रेरक का पालन होता है। यदि आप फोटॉनों के साथ अनुरूप स्थिति के बारे में सोचते हैं, तो अवरक्त में क्लोरोफिल फ़्लूएंस दृढ़ता से अवरक्त में होता है जिसे प्रकाश संश्लेषण के पहले चरण के रूप में माना जा सकता है: एक दृश्यमान फोटोन अवशोषित होता है और एक अवरक्त फोटॉन एक उपयोगी रासायनिक प्रतिक्रिया की ओर जा रही ऊर्जा के साथ उत्सर्जित होता है। फोटॉन सिर्फ प्रतिक्रिया क्षेत्र को छोड़ देता है ताकि किसी उपयोगी वस्तु के वापस अपनी ऊर्जा को टक्कर देने के लिए किसी चीज का इंतजार करने के बजाय फिर से दिखाई न दे। इसलिए भले ही हमें फोटॉन इन, फोटॉन आउट मिला हो, हम इसे कैटेलिसिस नहीं मानेंगे क्योंकि आउटगोइंग फोटॉन नहीं कर सकते हैं और कभी भी प्रकाश संश्लेषण का कारण नहीं बन पाएंगे (नीले रंग के दर्पण को छोड़कर :)।
लेकिन एक लेजर को उत्प्रेरक माना जा सकता है क्योंकि एक फोटॉन उत्सर्जन को उत्तेजित करता है इसलिए यह प्रतिक्रिया के बाद एक अविभाज्य दोस्त के साथ पुनर्जीवित होता है। यदि आप उपरोक्त लिंक को पढ़ते हैं तो आप देख सकते हैं कि फोटोन के रासायनिक संतुलन पर विचार करने से लेज़रों की भविष्यवाणी होती है।