Photodissociation

This article is about the chemical process. For the nuclear reaction, see Photodisintegration.

Photodissociation, photolysis, photodecomposition, या photofragmentation एक रासायनिक प्रतिक्रिया है जिसमें एक रासायनिक यौगिक के अणु फोटॉन द्वारा टूट जाते हैं। इसे एक लक्ष्य अणु के साथ एक या एक से अधिक फोटोन की बातचीत के रूप में परिभाषित किया गया है।

Photodissociation दृश्य प्रकाश तक ही सीमित नहीं है। पर्याप्त ऊर्जा वाला कोई भी फोटॉन किसी रासायनिक यौगिक के रासायनिक बंधों को प्रभावित कर सकता है। चूंकि एक फोटॉन ऊर्जा | फोटॉन की ऊर्जा इसके तरंग दैर्ध्य के व्युत्क्रमानुपाती होती है, दृश्यमान प्रकाश या उच्चतर ऊर्जा वाले विद्युत चुम्बकीय विकिरण, जैसे कि पराबैंगनी प्रकाश, एक्स-रे और गामा किरणें ऐसी प्रतिक्रियाओं को प्रेरित कर सकती हैं।

प्रकाश संश्लेषण में फोटोलिसिस

फोटोलिसिस प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाओं का हिस्सा है | प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रिया या प्रकाश चरण या फोटोकैमिकल चरण या प्रकाश संश्लेषण की पहाड़ी प्रतिक्रिया। प्रकाश संश्लेषी प्रकाश-अपघटन की सामान्य अभिक्रिया फोटॉनों के रूप में दी जा सकती है:

${\ce {H2A}}+2{\text{ photons}}\longrightarrow {\ce {2e- + 2H+ + A}}$

A की रासायनिक प्रकृति जीव के प्रकार पर निर्भर करती है। बैंगनी सल्फर बैक्टीरिया हाइड्रोजन सल्फाइड का ऑक्सीकरण करता है (H₂S) सल्फर (एस) के लिए। ऑक्सीजन प्रकाश संश्लेषण में, पानी (H₂O) फोटोलिसिस के लिए सब्सट्रेट के रूप में कार्य करता है जिसके परिणामस्वरूप डाइऑक्सीजन उत्पन्न होता है (O₂). यह वह प्रक्रिया है जो पृथ्वी के वायुमंडल में ऑक्सीजन लौटाती है। पानी का फोटोलिसिस साइनोबैक्टीरीयम के थायलाकोइड्स और हरे शैवाल और पौधों के क्लोरोप्लास्ट में होता है।

ऊर्जा हस्तांतरण मॉडल

पारंपरिक प्रथम परिमाणीकरण | अर्ध-शास्त्रीय मॉडल प्रकाश संश्लेषक ऊर्जा हस्तांतरण प्रक्रिया का वर्णन एक के रूप में करता है जिसमें उत्तेजना ऊर्जा प्रकाश-कैप्चर करने वाले वर्णक अणुओं से आणविक ऊर्जा सीढ़ी के चरण-दर-चरण प्रतिक्रिया केंद्र अणुओं तक जाती है।

विभिन्न तरंग दैर्ध्य के फोटोन की प्रभावशीलता जीव में प्रकाश संश्लेषक वर्णक के अवशोषण स्पेक्ट्रा पर निर्भर करती है। क्लोरोफिल स्पेक्ट्रम के बैंगनी-नीले और लाल भागों में प्रकाश को अवशोषित करते हैं, जबकि गौण वर्णक अन्य तरंग दैर्ध्य को भी ग्रहण करते हैं। लाल शैवाल के फ़ाइकोबिलिन नीले-हरे प्रकाश को अवशोषित करते हैं जो लाल प्रकाश की तुलना में पानी में गहराई से प्रवेश करते हैं, जिससे उन्हें गहरे पानी में प्रकाश संश्लेषण करने में मदद मिलती है। प्रत्येक अवशोषित फोटॉन वर्णक अणु में एक exciton (एक उच्च ऊर्जा अवस्था के लिए उत्साहित एक इलेक्ट्रॉन) के गठन का कारण बनता है। अनुनाद ऊर्जा हस्तांतरण के माध्यम से फोटोसिस्टम II के प्रतिक्रिया केंद्र में एक्सिटोन की ऊर्जा को एक क्लोरोफिल अणु (P680, जहां P वर्णक के लिए और 680 इसके अवशोषण के लिए अधिकतम 680 एनएम पर है) में स्थानांतरित किया जाता है। P680 उपयुक्त तरंगदैर्घ्य पर फोटॉन को सीधे अवशोषित भी कर सकता है।

प्रकाश-संश्लेषण के दौरान प्रकाश-अपघटन प्रकाश-चालित रिडॉक्स घटनाओं की एक श्रृंखला में होता है। P680 का सक्रिय इलेक्ट्रॉन (एक्सिटोन) प्रकाश संश्लेषक इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के एक प्राथमिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता द्वारा कब्जा कर लिया जाता है और इस प्रकार फोटोसिस्टम II से बाहर निकल जाता है। प्रतिक्रिया को दोहराने के लिए, प्रतिक्रिया केंद्र में इलेक्ट्रॉन को फिर से भरना होगा। यह ऑक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण के मामले में पानी के ऑक्सीकरण से होता है। फोटोसिस्टम II (P680*) का इलेक्ट्रॉन-कमी प्रतिक्रिया केंद्र अभी तक खोजा गया सबसे मजबूत जैविक ऑक्सीडाइज़र है, जो इसे पानी के रूप में स्थिर अणुओं को अलग करने की अनुमति देता है। जल-विभाजन प्रतिक्रिया फोटोसिस्टम II के ऑक्सीजन विकसित करने वाले परिसर द्वारा उत्प्रेरित होती है। इस प्रोटीन-बद्ध अकार्बनिक परिसर में चार मैंगनीज आयन, साथ ही कैल्शियम और क्लोराइड आयन कोफ़ैक्टर्स के रूप में होते हैं। दो पानी के अणुओं को मैंगनीज क्लस्टर द्वारा जटिल किया जाता है, जो तब फोटोसिस्टम II के प्रतिक्रिया केंद्र को फिर से भरने के लिए चार इलेक्ट्रॉन निष्कासन (ऑक्सीकरण) की एक श्रृंखला से गुजरता है। इस चक्र के अंत में, मुक्त ऑक्सीजन (O₂) उत्पन्न होता है और पानी के अणुओं के हाइड्रोजन को थायलाकोइड लुमेन (डोलाई के एस-स्टेट डायग्राम) में छोड़े गए चार प्रोटॉन में परिवर्तित कर दिया गया है।

ये प्रोटॉन, साथ ही इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के साथ युग्मित थायलाकोइड झिल्ली में पंप किए गए अतिरिक्त प्रोटॉन, झिल्ली के पार एक प्रोटॉन ढाल बनाते हैं जो Photophosphorylation को संचालित करता है और इस प्रकार एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट (एटीपी) के रूप में रासायनिक ऊर्जा का उत्पादन करता है। इलेक्ट्रॉन फोटोसिस्टम आई के P700 रिएक्शन सेंटर तक पहुंचते हैं जहां वे प्रकाश द्वारा फिर से सक्रिय होते हैं। वे एक और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से गुज़रते हैं और अंत में कोएंजाइम के साथ जुड़ जाते हैं NADP⁺ और NADPH बनाने के लिए थायलाकोइड्स के बाहर प्रोटॉन। इस प्रकार, पानी के फोटोलिसिस की शुद्ध ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

${\ce {2H2O + 2NADP+}}+8{\text{ photons}}\longrightarrow {\ce {2NADPH + 2H+ + O2}}$

मुक्त ऊर्जा परिवर्तन ($\Delta G$) इस प्रतिक्रिया के लिए प्रति तिल 102 किलोकैलोरी है। चूंकि 700 एनएम पर प्रकाश की ऊर्जा लगभग 40 किलोकैलोरी प्रति मोल फोटॉन है, प्रतिक्रिया के लिए लगभग 320 किलोकैलरी प्रकाश ऊर्जा उपलब्ध है। इसलिए, फोटोलिसिस और इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के दौरान उपलब्ध प्रकाश ऊर्जा का लगभग एक तिहाई एनएडीपीएच के रूप में कब्जा कर लिया जाता है। परिणामी प्रोटॉन ग्रेडिएंट द्वारा समान मात्रा में एटीपी उत्पन्न होता है। उप-उत्पाद के रूप में ऑक्सीजन प्रतिक्रिया के लिए और अधिक उपयोगी नहीं है और इस प्रकार वातावरण में जारी किया जाता है।

क्वांटम मॉडल

2007 में ग्राहम फ्लेमिंग और उनके सहकर्मियों द्वारा एक क्वांटम मॉडल प्रस्तावित किया गया था जिसमें संभावना शामिल है कि प्रकाश संश्लेषक ऊर्जा हस्तांतरण में क्वांटम दोलन शामिल हो सकते हैं, इसकी असामान्य रूप से उच्च प्रकाश संश्लेषक दक्षता को समझाते हुए। फ्लेमिंग के अनुसार इस बात के प्रत्यक्ष प्रमाण हैं कि प्रकाश संश्लेषण के दौरान ऊर्जा हस्तांतरण प्रक्रियाओं में उल्लेखनीय रूप से लंबे समय तक चलने वाली तरंग जैसी इलेक्ट्रॉनिक क्वांटम सुसंगतता एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, जो ऊर्जा हस्तांतरण की अत्यधिक दक्षता की व्याख्या कर सकती है क्योंकि यह सिस्टम को कम नुकसान के साथ सभी संभावित ऊर्जा मार्गों का नमूना लेने में सक्षम बनाती है। , और सबसे कुशल चुनें। हालाँकि, यह दावा तब से कई प्रकाशनों में गलत साबित हो चुका है। टोरंटो विश्वविद्यालय में ग्रेगरी स्कोल्स और उनकी टीम द्वारा इस दृष्टिकोण की आगे जांच की गई है, जिसने 2010 की शुरुआत में प्रकाशित शोध परिणामों में संकेत दिया था कि कुछ समुद्री शैवाल दक्षता बढ़ाने के लिए क्वांटम सुसंगतता | क्वांटम-संगत इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा हस्तांतरण (ईईटी) का उपयोग करते हैं। उनके ऊर्जा दोहन के बारे में।

फोटोप्रेरित प्रोटॉन ट्रांसफर

फोटोएसिड अणु होते हैं जो प्रकाश अवशोषण पर फोटोबेस बनाने के लिए एक प्रोटॉन स्थानांतरण से गुजरते हैं।

${\ce {AH ->[h\nu] A^- + H^+}}$

इन प्रतिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉनिक रूप से उत्तेजित अवस्था में पृथक्करण होता है। प्रोटॉन स्थानांतरण और इलेक्ट्रॉनिक ग्राउंड स्टेट में विश्राम के बाद, प्रोटॉन और एसिड फिर से फोटोएसिड बनाने के लिए पुन: संयोजन करते हैं।

अल्ट्राफास्ट लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रयोगों में पीएच जंप को प्रेरित करने के लिए फोटोएसिड्स एक सुविधाजनक स्रोत हैं।

वातावरण में फोटोलिसिस

फोटोलिसिस वातावरण में प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के हिस्से के रूप में होता है जिसके द्वारा हाइड्रोकार्बन और नाइट्रोजन ऑक्साइड जैसे प्राथमिक प्रदूषक पेरोक्सीसाइल नाइट्रेट्स जैसे द्वितीयक प्रदूषक बनाने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं। प्रकाश रासायनिक धुंध देखें।

क्षोभमंडल में दो सबसे महत्वपूर्ण प्रकाशविघटन अभिक्रियाएँ सबसे पहले हैं:

${\ce {O3}}+h\nu \longrightarrow {\ce {O2 + O(^1D)}}\quad \lambda <320{\text{ nm}}$

जो एक उत्तेजित ऑक्सीजन परमाणु उत्पन्न करता है जो हाइड्रॉक्सिल रेडिकल देने के लिए पानी से प्रतिक्रिया कर सकता है:

${\ce {O(^1D) + H2O -> 2 ^{*}OH}}$

हाइड्रॉक्सिल रेडिकल वायुमंडलीय रसायन विज्ञान के लिए केंद्रीय है क्योंकि यह वातावरण में हाइड्रोकार्बन के ऑक्सीकरण की शुरुआत करता है और इसलिए डिटर्जेंट के रूप में कार्य करता है।

दूसरी प्रतिक्रिया:

${\ce {NO2}}+h\nu \longrightarrow {\ce {NO + O}}$

क्षोभमंडलीय ओज़ोन की परत निर्माण में एक महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया है।

ओजोन परत का निर्माण भी प्रकाश अपघटन के कारण होता है। पृथ्वी के समताप मंडल में ओजोन दो ऑक्सीजन परमाणुओं वाले ऑक्सीजन अणुओं से टकराने वाली पराबैंगनी प्रकाश द्वारा बनाई गई है (O₂), उन्हें व्यक्तिगत ऑक्सीजन परमाणुओं (परमाणु ऑक्सीजन) में विभाजित करना। परमाणु ऑक्सीजन फिर अखंड से जुड़ती है O₂ ओजोन बनाने के लिए, O₃. इसके अलावा, फोटोलिसिस वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा क्लोरोफ्लोरोकार्बन ऊपरी वायुमंडल में टूटकर ओजोन को नष्ट करने वाले क्लोरीन मुक्त कणों का निर्माण करता है।

खगोल भौतिकी

खगोलभौतिकी में, प्रकाशविघटन उन प्रमुख प्रक्रियाओं में से एक है जिसके माध्यम से अणु टूटते हैं (लेकिन नए अणु बनते हैं)। इंटरस्टेलर माध्यम के निर्वात के कारण, अणु और मुक्त कण लंबे समय तक मौजूद रह सकते हैं। Photodissociation मुख्य मार्ग है जिसके द्वारा अणुओं को तोड़ा जाता है। अंतरातारकीय बादलों की संरचना के अध्ययन में फोटोडिसोसिएशन दरें महत्वपूर्ण हैं जिनमें तारे बनते हैं।

तारे के बीच के माध्यम में photodissociation के उदाहरण हैं (hν आवृत्ति के एक फोटॉन की ऊर्जा है ν):

${\ce {H2O ->[h\nu] H + OH}}$

${\ce {CH4 ->[h\nu] CH3 + H}}$

वायुमंडलीय गामा किरण प्रस्फोट

वर्तमान में परिक्रमा करने वाले उपग्रह प्रतिदिन औसतन लगभग एक गामा-किरण विस्फोट का पता लगाते हैं। क्योंकि गामा-किरणों के फटने अधिकांश अवलोकन योग्य ब्रह्मांड को घेरने वाली दूरियों तक दिखाई देते हैं, जो कई अरब आकाशगंगाओं को घेरने वाली मात्रा है, इससे पता चलता है कि गामा-किरणों का फटना प्रति आकाशगंगा अत्यधिक दुर्लभ घटनाएँ होनी चाहिए।

गामा-किरणों के फटने की सटीक दर को मापना मुश्किल है, लेकिन मिल्की वे के समान आकार की एक आकाशगंगा के लिए, अपेक्षित दर (लंबे जीआरबी के लिए) प्रत्येक 100,000 से 1,000,000 वर्षों में लगभग एक विस्फोट है। इनमें से केवल कुछ प्रतिशत ही पृथ्वी की ओर बीमित होंगे। अज्ञात बीमिंग अंश के कारण कम जीआरबी की दरों का अनुमान और भी अनिश्चित है, लेकिन संभवतः तुलनीय हैं। मिल्की वे में एक गामा-किरण का फटना, यदि पृथ्वी के काफी करीब हो और उसकी ओर किरणित हो, तो जीवमंडल पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ सकता है। वायुमंडल में विकिरण के अवशोषण से नाइट्रोजन का प्रकाश अपघटन होगा, जिससे नाइट्रिक ऑक्साइड उत्पन्न होगा जो ओजोन को नष्ट करने के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करेगा। वायुमंडलीय फोटोडिसोसिएशन

• ${\ce {N2 -> 2N}}$
• ${\ce {O2 -> 2O}}$
• ${\ce {CO2 -> C + 2O}}$
• ${\ce {H2O -> 2H + O}}$
• ${\ce {2NH3 -> 3H2 + N2}}$

उपज होगा

• नहीं₂ (400 ओजोन अणुओं की खपत)
• च₂ (नाममात्र)
• च₄ (नाममात्र)
• सीओ₂

(अपूर्ण)

2004 के एक अध्ययन के अनुसार, लगभग एक पारसेक की दूरी पर एक जीआरबी पृथ्वी की ओजोन परत के आधे हिस्से को नष्ट कर सकता है; घटी हुई ओजोन परत से होकर गुजरने वाले अतिरिक्त सौर यूवी विकिरण के साथ फटने से प्रत्यक्ष यूवी विकिरण का खाद्य श्रृंखला पर संभावित रूप से महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ सकता है और संभावित रूप से बड़े पैमाने पर विलुप्त होने का कारण बन सकता है। लेखकों का अनुमान है कि प्रति अरब वर्षों में एक ऐसा विस्फोट होने की उम्मीद है, और परिकल्पना है कि ऑर्डोविशियन-सिलुरियन विलुप्त होने की घटना इस तरह के विस्फोट का परिणाम हो सकती है।

इस बात के पुख्ता संकेत हैं कि लंबी गामा-किरणें प्राथमिक रूप से या विशेष रूप से कम धात्विकता वाले क्षेत्रों में होती हैं। क्योंकि मिल्की वे पृथ्वी के बनने से पहले से ही धातु से समृद्ध रही है, यह प्रभाव कम हो सकता है या इस संभावना को समाप्त भी कर सकता है कि पिछले अरब वर्षों के भीतर मिल्की वे के भीतर एक लंबी गामा-किरण फट गई है। लघु गामा-किरण प्रस्फोटों के लिए ऐसा कोई धात्विकता पूर्वाग्रह ज्ञात नहीं है। इस प्रकार, उनकी स्थानीय दर और बीमिंग गुणों के आधार पर, भूगर्भीय समय में किसी बिंदु पर निकटवर्ती घटना का पृथ्वी पर बड़ा प्रभाव पड़ने की संभावना अभी भी महत्वपूर्ण हो सकती है।

एकाधिक-फोटॉन पृथक्करण

अवरक्त स्पेक्ट्रल रेंज में एकल फोटॉन आमतौर पर अणुओं के प्रत्यक्ष फोटोडिसोसिएशन के लिए पर्याप्त ऊर्जावान नहीं होते हैं। हालांकि, कई इन्फ्रारेड फोटोन के अवशोषण के बाद एक अणु पृथक्करण के लिए अपनी बाधा को दूर करने के लिए आंतरिक ऊर्जा प्राप्त कर सकता है। बहु-फोटॉन पृथक्करण (एमपीडी; इन्फ्रारेड विकिरण के साथ इन्फ्रारेड मल्टीफ़ोटो पृथक्करण) उच्च-शक्ति वाले लेज़रों को लागू करके प्राप्त किया जा सकता है, उदा। एक कार्बन डाइऑक्साइड लेजर, या एक फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर, या तेजी से ठंडा करने की संभावना के बिना विकिरण क्षेत्र के साथ अणु की लंबी बातचीत के समय, उदा। टक्करों से। बाद वाली विधि श्याम पिंडों से उत्पन्न विकिरण द्वारा प्रेरित एमपीडी के लिए भी अनुमति देती है, एक तकनीक जिसे ब्लैकबॉडी इन्फ्रारेड रेडिएटिव डिसोसिएशन (BIRD) कहा जाता है।

यह भी देखें

• फ्लैश फोटोलिसिस
• फोटोकैटलिसिस
• प्रकाश रसायन
• फोटोहाइड्रोजन