Photochemie

Photochemie, die Wissenschaft der chemischen Reaktionen, die durch Licht ausgelöst werden. Photochemiker beschäftigen sich mit der Wechselwirkung von Licht (in Form von Photonen) mit Atomen und Molekülen und den sich daraus ergebenden physikalischen und chemischen Änderungen.

Das erste Gesetz der Photochemie (Grotthuss-Draper-Gesetz) besagt, dass Licht von einer chemischen Substanz absorbiert werden muss, damit eine photochemische Reaktion tatsächlich stattfinden kann. Anders ausgedrückt, Moleküle, die kein Licht einer bestimmten Frequenz absorbieren, unterliegen auch dann keiner photochemischen Reaktion, wenn sie mit dieser Frequenz bestrahlt werden. Das zweite Gesetz der Photochemie (Stark-Einsteinsches-Quantenäquivalenzgesetz) besagt, dass für jedes Photon (Lichtquant), welches von einem chemischen System absorbiert wird, nur ein Molekül für die photochemische Reaktion aktiviert wird. Letzteres ist auch als Quantenäquivalenzgesetz bekannt. Es wurde von Albert Einstein aus der Quantentheorie des Lichtes abgeleitet. Diese Theorie begründete der deutsche Physiker Max Planck. Der französische Physiker Louis de Broglie und andere entwickelten sie weiter. Das Quantenäquivalenzgesetz beinhaltet, dass jedes Photon nur in einem, nämlich dem lichtabsorbierenden Molekül eine photochemische Reaktion auslösen kann. Ein verwandtes Gesetz besagt, dass der Umfang der stattfindenden Photoreaktion direkt proportional dem Produkt aus Lichtintensität und Zeit der Lichteinwirkung ist. Mit anderen Worten: Mehr Licht erzeugt mehr Photoprodukt.

Photoreaktionen laufen zwanglos ab, sobald eine Absorption von Licht möglich ist. Durch die Absorption wird das Molekül in einen angeregten Zustand überführt und verfügt über eine höhere Energie als im stabilen Grundzustand. Da das Molekül mehr Energie enthält, ist es reaktionsfreudiger. Der Vorteil der Photochemie besteht darin, dass durch diesen Mechanismus eine chemische Reaktion schnell und direkt ablaufen kann.

Ein weiterer Vorteil photochemischer Reaktionen gegenüber thermischen Reaktionen – die zur Anregung Wärme benötigen – ist ihre selektive Wirkung. Verschiedene Frequenzen des Lichtes können eingesetzt werden, um in einer chemischen Substanz unterschiedliche und einmalige Reaktionen ablaufen zu lassen. Die vom Molekül absorbierte Frequenz (u) des Lichtes multipliziert mit h (dem planckschen Wirkungsquantum) muss exakt der Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand des Moleküls (E₀) und dem ersten angeregten Zustand (E₁) entsprechen: E₁ - E₀ = hu. Ändert man demnach die Frequenz der Strahlung, kann man die Moleküle selektiv in die verschiedenen Anregungszustände überführen. Daraus folgt, dass in einem Molekül die verschiedensten photochemischen Reaktionen ablaufen können. Sie hängen nur von der Frequenz sowie von Art und Anzahl der im Molekül vorhandenen Anregungszustände ab.

Die Mehrzahl der lichtabsorbierenden Substanzen reagiert allerdings nicht photochemisch, da die Moleküle schnell wieder deaktiviert werden. In diesen Fällen geben sie die Energie wieder ab, bevor die photochemische Reaktion überhaupt stattfindet. Die durchschnittliche Lebensdauer eines angeregten Zustands muss demnach auch lang genug sein, damit eine Reaktion ablaufen kann. Siehe Lumineszenz.

Einige wichtige photochemische Prozesse sind im Folgenden angeführt: Bei der Photosynthese grüner Pflanzen absorbieren Moleküle des Pigments Chlorophyll die Photonen des Sonnenlichtes. Die umgewandelte Energie wird dann zum Aufbau der Kohlenhydrate benutzt. Sonnenlicht bewirkt auch die Photodissoziation von Ozon in der Atmosphäre. Ozon absorbiert dabei die schädlichen ultravioletten Anteile der Strahlung. Bei der Photographie läuft ebenfalls ein photochemischer Prozess ab: Infolge der Lichteinwirkung wird Silberbromid (AgBr) in metallisches Silber umgewandelt. Selbst beim Sehvorgang tritt die photochemische Isomerisierung des Proteins Rhodopsin in der Retina des Auges auf. (Unter Isomerisierung versteht man die strukturelle Umwandlung einer chemischen Verbindung, wobei die Anzahl der Atome des jeweiligen Moleküls erhalten bleibt.)