фотохимия
6 фактов о химии возбужденных состояний и неадиабатических процессах
Понятие физики высоких энергий сейчас достаточно хорошо известно, в том числе и простому обывателю, потому что за последние годы в этой области создано множество гигантских проектов (в первую очередь, Большой адронный коллайдер). Физика высоких энергий на начальном уровне понятна многим: всем известно, что происходит поиск новых элементарных частиц, синтезируются новые элементы путем столкновений, для этого строятся гигантские установки, туннели длиной в десятки километров, и даже на бытовом уровне понятно, что это связано с очень высокими энергиями. О том, что такое «химия высоких энергий», известно куда меньшему числу людей, даже в профессиональной химической среде. Не потому, что это что-то экзотическое, а потому, что этот термин пока не нашел столь широкого применения. Хотя, если понять его глубинную суть, все становится достаточно очевидно.
1. Термические реакции
Если в Большом адронном коллайдере речь идет об энергиях, которые создаются гигантскими генераторами, о безумных разрядах, способных убить человека, то в химии высоких энергий все по-другому. Солнечный свет, попадающий через окно в комнате, — это уже высокая энергия для химической системы. Важно определить, какой критерий здесь работает.
Как запускаются почти все химические реакции, известные нам еще со школы? Подавляющее большинство реакций обязано тепловой энергии. Тепловая энергия сообщается системе, возбуждаются некие колебательные моды, молекула или части молекулы начинают двигаться иначе. Если смотреть на это с точки зрения квантовой химии, то система попадает на более высокий колебательный уровень и там ведет себя так, что реакция становится неизбежна. Есть такие термины, как «адиабатические» и «неадиабатические процессы» (вместо второго термина можно говорить «диабатические», чтобы не было двойного отрицания на смеси русского и греческого), и если термические реакции являются адиабатическими, то химия высоких энергий занимается именно неадиабатическими процессами.
2. Электронно-возбужденное состояние
Термические реакции — это то, что происходит в рамках одной поверхности потенциальной энергии. Если представить себе горный массив, то термическая реакция — это переход из одной долины в другую долину через горный перевал. При этом, скорее всего, во второй долине все выгоднее по энергии, грубо говоря (продолжая аналогию, можно сказать, что она лежит ниже). С химией высоких энергий все не так. Здесь мы находимся не на одной поверхности, а переходим на некую другую. Эта другая поверхность называется электронно-возбужденным состоянием. То есть если продолжить аналогию с горным перевалом, мы поднимаемся на вышку, на фуникулер, и этот фуникулер едет над горным перевалом. Таким образом, вместо того, чтобы идти через перевал пешком, мы проносимся над ним. В чем это выражается, если говорить о химических процессах? Высокие энергии могут сообщаться, например, светом, что соответствует одному из разделов химии высоких энергий — фотохимии. Или ионизирующим излучением, что соответствует радиационной химии. В подавляющем большинстве случаев они выше, чем то, что можно сообщить системе при помощи теплового воздействия. При этом с точки зрения физики это достаточно низкие энергии, но, если говорить о возбуждении химической системы, то есть о том, как ведут себя атомы в молекуле, здесь есть очень существенная разница, и за счет того, что мы переходим на другую поверхность потенциальной энергии, открывается масса других возможностей. Представьте себе, что есть какая-то непреодолимая вершина, но если проехать над ней, то удастся попасть туда, куда пешком мы бы не дошли. Здесь эта аналогия очень показательна. То, что в системе задействуются другие электронно-возбужденные состояния, открывает путь к новым механизмам реакций. И это правомерно как для фотохимии, так и для радиационной химии, а также и для третьего раздела химии высоких энергий — плазмохимии.
3. Химия высоких энергий в быту
Если проведение радиационно-химических реакций требует специального оборудования, источников ионизирующего излучения (к ним относятся электронные пучки, гамма-излучение, рентген), то какие-то простейшие из фотохимических экспериментов можно проводить даже дома. То есть если вы летом на пару дней или на неделю поставите на окно какую-то яркую открытку, то вы увидите, что она выцветает. Это означает, что происходит фотохимическая реакция: свет поглощается красителем на бумаге, и происходят процессы, которые не осуществлялись бы в том случае, если б открытка просто полежала в теплом месте, потому что свет переносит энергию, которой достаточно для того, чтобы переводить систему в электронно-возбужденное состояние.
4. Фотохимические реакции
Фотохимические реакции в примитивном виде были известны еще со средневековых времен, однако природа этих явлений стала окончательно понятна только в XX веке. Хотя и в XIX веке какие-то количественные закономерности фотохимических реакций уже были описаны, но тогда ученые могли проводить только какие-то простые процессы, те, которые сейчас могут проводить в практикумах по физической химии, например реакцию разложения пероксида водорода. Фотохимия — это гигантский раздел химии, который имеет прямое отношение и к макромолекулярной химии, так как, например, множество полимеров можно получить под действием света, и к биохимии, потому что все люди существуют благодаря фотохимии, так как фотосинтез — это фотохимический процесс.
5. Три раздела химии высоких энергий
Понятие «химия высоких энергий» ни в коем случае не стоит путать с понятием «физика высоких энергий». К химии высоких энергий относятся три больших раздела: фотохимия, радиационная химия и плазмохимия. Несмотря на то, что словосочетание «радиационная химия» звучит опасно, с радиоактивностью и радионуклидами радиационная химия напрямую дела не имеет. Химики просто светят на что-то рентгеновским лучом, и из-за этого происходят какие-то процессы, и это вовсе не значит, что в объекте появляется радиоактивность. Самый интуитивно понятный раздел химии высоких энергий — это фотохимия, где изучаются реакции под действием света. К этому разделу относится изучение фотосинтеза и, например, того, что может происходить под действием света в пиве (не зря же его хранят в темных бутылках), или того, что происходит, когда вы ломаете в ночном клубе специальную люминесцентную палочку, а она начинает светиться, или того явления, благодаря которому существует пленочная фотография.
6. Использование химии высоких энергий в промышленности
Процессы, относящиеся к химии высоких энергий, уже сейчас широко используются в промышленности. Это и получение полимеров как при помощи фотоинициирования, так и при помощи радиационно-химического инициирования реакций полимеризации, и радиационно-химическая очистка воды — один из самых экологичных способов очистки, и обеззараживание продуктов, и огромное число процессов, которые связаны с фоточувствительностью. Все это может легко развиваться и дальше, и эффективность этих процессов, скорее всего, будет только возрастать.
Иван Сорокин
кандидат химических наук, младший научный сотрудник химического факультета МГУ