Что такое фотолиз воды и в результате чего при фотосинтезе образуется кислород

Фотолиз воды при фотосинтезе

Что такое фотолиз воды?

Определение 1

Фотолиз воды — это процесс распада молекулы воды, которая происходит в световой фазе фотосинтеза.

Определение 2

Фотосинтез представляет собой процесс синтеза органических веществ из неорганических при помощи энергии солнечного света.

Первым, кто изучал физиологические основы фотосинтеза, был Дж. Пристли — ученый делал это в 18 веке. А именно, его заинтересовала порча воздуха внутри герметичного сосуда с горящей свечой. В таких обстоятельствах воздух не мог поддерживать процесс горения, а животные, которые в нем находились, погибали. Но растения, как оказалось, могли исправить эту ситуацию.

Ученый выяснил, что растения — важный источник кислорода, который поддерживает такие процессы как дыхание и горение.

Определение 3

Фототрофы являются организмами, обладающими способностью осуществлять фотосинтез.

Есть еще хемотрофы: они тоже образуют органическое вещество. Но в отличие от фототрофов, в качестве источника энергии для этого процесса выступает не кислород, а химические связи.

Почти все растения — автотрофы: их клетки содержат различные фотосинтетические пигменты.

Химические основы фотолиза воды

Пигменты фотосинтеза

Существует 2 группы фотосинтетических пигментов:

  1. Хлорофиллы.
  2. Каротиноиды.

Пигменты отвечают за поглощение солнечного света и преобразование солнечной энергии в химическую. Локализация пигментов — мембраны хлоропластов.

Внутри хлоропластов на мембраных тилакоидов находится хлорофилл. За счет этого пигмента растение и имеет зеленый цвет. Хлорофилл по своему химическому строению близок к гемоглобину крови. В его основе — порфириновое кольцо с магнием в центре. Хлорофиллу свойственно поглощение солнечного света с одновременным переходом в возбужденное состояние.

Замечание 1

Именно хлорофилл — единственный пигмент, играющий главную роль в процессе фотосинтеза.

Фазы фотосинтеза кратко

Фотосинтез состоит из 2 фаз:

  1. Световой фазы. Она осуществляется на свету на мембранах тилакоидов, которые составляют граны.
  2. Темновой фазы. Она происходит при отсутствии солнечного света в строме хлоропласта, но при этом ее регулируют световые потоки.

Если говорить кратко о световой фазе фотосинтеза, то в ее основе — содержание в хлоропластах огромного числа молекул хлорофилла. Интересно, что сам процесс осуществляется в 1% молекулы хлорофилла. С помощью прочих молекул происходит образование антенных светособирающих комплексов: они отвечают за поглощение квантов света и передачу возбуждения в реакционные центры.

Такого рода центры есть в фотосистеме I и фотосистеме II. В этих системах есть особые молекулы хлорофилла: в первом случае — P700, а во втором — Р680. Такое обозначение связано, в первую очередь, с поглощением света соответствующей длины: 700 и 680 нм.

Замечание 2

Молекулы хлорофилла в обеих системах поглощают кванты света. При этом в каждой фотосистеме один электрон осуществляет переход на более высокий энергетический уровень.

Все электроны в возбужденном состоянии отличаются высокой степенью энергии. Происходит их отрыв и трансляция в особенную сеть переносчиков на мембраны тилакоидов. Молекулы НАДФ+ при этом превращаются в восстановленный НАДФ.

В основе процесса — преобразование энергии света в энергию восстановленного переносчика. Происходит образование пространства с положительным зарядом — на месте молекул хлорофилла.

У обеих фотосистем есть свои задачи:

  • первая отвечает за восполнение потери электронов через систему переносчиков электронов фотосистемы II;
  • вторая отнимает электрон у воды и запускает ее фотолиз.
Определение 4

Фотолиз — это процесс распада молекулы воды, происходящий в результате воздействия солнечного света.

Этот процесс сопровождается выбросом в атмосферу большого количества кислорода, который в дальнейшем в ней рассеивается.

В ходе фотолиза образуются протоны водорода — они переносятся в полость тилакоида и, накапливаясь, образуют избыток ионов водорода. Это приводит к созданию на мембране тилакоида крутого градиента концентрации накопленных ионов. Также избыток ионов водорода используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Ионы водорода переносятся сквозь мембрану — процесс сопровождается образованием НАДФ*Н.

Можно сделать вывод, что запасание энергии света происходит в световой фазе в виде восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ.

С помощью световой фазы удается:

  • обеспечить перенос протонов водорода через систему переносчиков. При этом происходит образование и запасание энергии АТФ;
  • сформировать НАДФ*Н;
  • выделить в атмосферу определенное количество кислорода.
Замечание 3

Если говорить об обязательных компонентах темновой фазы, то ими являются АТФ и НАДФ*Н (из световой фазы), углекислый газ, взятый из атмосферы, вода.

Из всего написанного выше следует, что фотолиз воды — это реакция, поставляющая компоненты для темновой фазы, которая происходит в строме хлоропласта.

Фотолиз воды — источник кислорода, быстро поступающего в атмосферу.

В темновой фазе участвуют АТФ и НАДФ, а также происходит восстановление глюкозы. Этот процесс не нуждается в свете, хотя он принимает участие в регуляции этапов. Растение поглощает углекислый газ из атмосферы: устьица покровной ткани открываются и газ получает доступ внутрь листа. Растворение кислорода в воде и восстановление до глюкозы происходит при участии НАДФ и АТФ.

При образовании избытка глюкозы образуется и откладывается запасное питательное вещество — крахмал. В виде этого сложного углевода происходит накапливание энергии. Совсем немного этих молекул остается в листе и используется для его нужд. Все остальные углеводы распространяются по растению по проводящей ткани растения или ситовидным трубкам.

Фотосинтез — основной источник кислорода на нашей планете. При фотосинтезе кислород образуется в результате реакции фотолиза воды — его хватает для обеспечения жизнедеятельности всего живого. До появления фотосинтетических организмов этого газа на Земле не было.

Что такое фотосинтез: что происходит в растении в процессе фотосинтеза, строение хлоропластов

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Рис.1. Строение хлоропласта высших растений

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Пигменты хлоропластов

Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:

  • Хлорофиллы:
  • хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
  • хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
  • хлорофилл c — у бурых водорослей,
  • хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.
  • Каротиноиды:
  • каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
  • ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
  • ‍Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.

<<Форма демодоступа>>

В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.

Хлорофилл

Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.

Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.

Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.

Каротиноиды

Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску. 

Функции каротиноидов:

  • Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны. Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
  • Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.

Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.

Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду
BIO72021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества. 

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

1. Световая.

2. Темновая.

В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.

Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.

Рис.2. Схема процессов фотосинтеза и суммарное уравнение фотосинтеза.

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

  1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II. 
  2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
  3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I,   отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ. 

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

  1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
  2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
  3. Фаза регенерации (превращения сахаров).

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле. 

Рис.3. Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза.

Значение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода. 

Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.

Заключение

Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.

Фотолиз – определение и примеры

Фотолиз
сущ. , [fəʊˈtɒlɪsɪs]
Определение: расщепление химического соединения с помощью световой энергии.

Содержание

Фотолиз Определение

Мы определяем фотолиз как химический процесс, при котором химические соединения или молекулы расщепляются на мелкие единицы под действием фотонов или поглощения света. Он рассматривается как интерфейс одного или многих фотонов, имеющих молекулу-мишень. Фотолиз также называют фотораспад или фотодиссоциация.

Что такое фотолиз?

Фотолиз — это тип химической реакции, при которой молекулы расщепляются на более мелкие за счет поглощения света. Процесс фотолиза не ограничивается только видимым светом. Любое химическое соединение или связь, получающая адекватную энергию от фотона, может вызвать фотолиз или фотодиссоциацию. Энергия фотона обратно пропорциональна его длине волны. Для проведения процесса фотолиза используются различные лучи, такие как гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовые лучи.

Рисунок 1: Изображение показывает процесс фотолиза. Источник изображения: Мария Виктория Гонзага из Biology Online.

Биологическое определение:
Фотолиз – это расщепление или разложение химического соединения с помощью световой энергии или фотонов. Например, фотолиз молекулы воды при фотосинтезе происходил под действием света. Когда фотоны поглощаются, это заставляет водород связываться с акцептором, впоследствии высвобождая кислород. Этимология: от древнегреческого «φωτ»- («phōt»-), от «φῶς» («phôs»), что означает «свет», и «λύσις» (l»úsis), что означает «разложение». ». Синоним: фотодиссоциация; фоторазложение. См. также:  фотосинтез

Фотолиз в фотосинтезе

Частью какого цикла является фотолиз?

Фотолиз считается частью светозависимых реакций. Его также рассматривают как фотохимическую фазу, световую фазу или реакцию Хилла фотосинтеза.

ПРОЧИТАЙТЕ: Фотосинтез – Учебное пособие по фотолизу и фиксации углерода

Реакция Хилла

При попадании солнечного света электроны переносятся из воды в нефизиологические окислители (реагенты Хилла). Эта реакция известна как Реакция Хилла . Перенос происходит в направлении, противоположном градиенту химического потенциала.

Следующее уравнение фотолиза показывает реакцию:

Н 2 A + 2 фотона (свет) → 2 e –

+ 2 H + + A

В приведенном выше уравнении химическая природа «А» основана на форме и типе человека. Молекула воды (H 2 O) действует как субстрат для фотолиза при оксигенном фотосинтезе. Это приведет к образованию молекул двухатомного кислорода O 2 .
В пурпурных серных бактериях сера (S) окисляется из сероводорода (H 2 С). Это процедура, посредством которой кислород возвращается в атмосферу Земли.

Где происходит фотолиз?

У цианобактерий фотолиз воды происходит в

тилакоидах . У растений и зеленых водорослей это происходит в хлоропластах.

Модели передачи энергии

Модель передачи энергии обычная и полуклассическая . В этой модели переноса энергия возбуждения передается в молекулы реакционного центра от светоулавливающей молекулы пигмента. Движение энергии не является случайным или внезапным. Она движется организованно ступенчато, следуя молекулярной энергетической лестнице.

Существуют небольшие энергетические пакеты, известные как фотоны, имеющие различные длины волн. Эффективность и эффективность фотона основаны на тенденции диапазонов поглощения фотосинтетических пигментов каждого человека. Хлорофилл поглощает широкий спектр световой энергии из красного и фиолетово-синего диапазона спектра. Остальные длины волн поглощаются другими вспомогательными пигментами.

Например:

Красные водоросли Фискобилины поглощают сине-зеленый свет. Проникновение сине-зеленого света больше, чем красного света в воде. Поглощение сине-зеленого света помогает им осуществлять процесс фотосинтеза глубоко в воде.

В молекуле пигмента каждый поглощенный фотон света приводит к возбуждению образования электрона в более высокое энергетическое состояние. Возбужденная энергия передается молекуле хлорофилла на длине волны Р680. Здесь P — пигмент, а 680 — поглощение в максимальном диапазоне 680 нм . Этот процесс происходит в реакционном центре фотосистемы II с помощью резонансного переноса энергии. P680 может поглощать фотон непосредственно на соответствующей и подходящей длине волны.
При фотосинтезе происходит несколько стадий управляемых светом процедур окисления, которые осуществляют процесс фотолиза. P680 также известен как экситон . Этот экситон (P680) захватывается основным акцептором электронов, который является частью фотосинтетической цепи переноса электронов. Экситон вышел из фотосистемы II.

Чтобы реакция продолжалась, электроны, находящиеся в реакционном центре, должны снова и снова пополняться. Это восполнение происходит путем окисления воды. Сильнейшим биологическим окислителем является электронодефицитный реакционный центр фотосистемы II. Он обеспечивает фотолиз воды и расщепляет ее на составляющие.

Рис. 2: На изображении показан фотолиз молекулы воды. Источник изображения: Мария Виктория Гонзага из Biology Online.
Квантовые модели

В 2007 году Грэм Флеминг вместе со своими коллегами предложил модель, названную квантовой моделью. В модели он представляет возможность участия квантовых колебаний в процессе фотосинтетической передачи энергии. Он пытается объяснить необычную и нечастую высокую производительность и эффективность.

По Флемингу есть указание, что в процессе фотосинтеза длинноволновая электронная квантовая когерентность играет основную роль в процессах переноса энергии. Это объясняет эффективность передачи энергии. Это позволяет всей системе стать более эффективной за счет минимальных потерь энергии. Однако во многих дальнейших публикациях эта логика оказывается ошибочной.

Грегори Скоулз вместе со своей командой исследовал этот подход в Университете Торонто и опубликовал свои выводы в 2010 году. Результаты говорят о том, что повышение эффективности использования энергии несколькими морскими водорослями делает большую часть квантово-когерентной электронной передачи энергии.

Фотоиндуцированный перенос протона

Молекулы, образующие фотооснову при поглощении света и подвергающиеся переносу протона, известны как фотокислоты . В реакции фотоингибированного переноса протона пробой происходит в электронно-возбужденном состоянии. Кислота и протон снова объединяются и образуют фотокислоту после переноса протона и релаксации в основное электронное состояние.

В экспериментах по сверхбыстрой лазерной спектроскопии наиболее подходящим источником для индукции скачка рН являются фотокислоты.

Фотолиз в атмосфере

В атмосфере процесс фотолиза протекает в несколько этапов. При этом происходит образование вторичных загрязнителей, таких как пероксиацилнитраты, в результате реакции первичных реагентов, таких как оксид азота и углеводороды.

В тропосфере жизненно важные реакции фотодиссоциации протекают следующим образом. Это также показывает, что то, что происходит с атомами во время химической реакции

O 3 + hν → O 2  + O(1D) λ < 320 нм

Происходит образование возбужденного атома кислорода, который реагирует с молекулой воды и образует гидроксильный радикал.

O( 1 D) + H 2 O → 2 • OH

В химии атмосферы радикал гидроксильной группы очень важен, поскольку он не только запускает окисление углеводородов, но и действует как детергент.

Другой важной атмосферной реакцией является образование тропосферного озона:

НЕТ 2 + hν → НЕТ + O

Слой озона образуется в процессе фотолиза или фотодиссоциации. В стратосфере озон образуется в результате удара молекулы кислорода, состоящей из двух атомов кислорода O2, в ультрафиолетовом свете. Он расщепляет O

2 на отдельный атом кислорода, известный как атомарный кислород. Затем атомарный кислород вступает в реакцию с неразорвавшимся O 2  для создания озона O 3 .

В верхних слоях атмосферы хлорфторуглеродов (ХФУ) расщепляются с образованием свободных радикалов хлора, что приводит к разрушению озонового слоя. Этот процесс также осуществляется фотолиза.

Астрофизика

Фотохимическая диссоциация — жизненно важный процесс в астрофизике. При этом новые молекулы образуются при распаде предыдущих молекул. Свободные радикалы , и молекулы могут оставаться или существовать дольше из-за вакуума межзвездной среды.
Фотодиссоциация или фотолиз — это основная часть, в ходе которой молекулы разрушаются. При изучении структуры межзвездных облаков большое значение имеет скорость фотодиссоциации. Межзвездные облака участвуют в формировании звезд.

В межзвездной среде примерами фотодиссоциации являются ( hν – энергия одиночного фотона с частотой ν, приводящая к диссоциации).

Атмосферные гамма-всплески

В настоящее время средняя скорость обращения спутников за сутки составляет около один гамма-всплеск. Гамма-всплесков окружают большую часть Вселенной, и их можно наблюдать на расстоянии. Объем Вселенной включает в себя многочисленные миллиарды галактик. Предполагается, что гамма-всплески происходят в галактиках крайне редко.

Очень сложно измерить и рассчитать конкретную и удельную скорость гамма-всплесков. Учитывая галактику размером почти с Млечный Путь, расчетная частота одной вспышки длинных гамма-всплесков составляет от 100 000 до 1 000 000 лет. Лишь небольшой процент его может быть излучен на пути к Земле. Неясно определить расчетную частоту коротких гамма-всплесков из-за неизвестной доли излучения.

Если гамма-всплески Млечного Пути направятся к Земле, это окажет значительное влияние на биосферу. В атмосфере поглощение излучений приведет к фотодиссоциации азота N 2 . Это привело бы к образованию азота, который действует как катализатор разрушения озонового слоя.

Атмосферная фотодиссоциация

В 2004 году было проведено исследование, в котором утверждается, что гамма-всплески происходят на расстоянии около килопарсек ( «парсек» — единица длины вне Солнечной системы; для измерения расстояния до астрономических объектов используется парсек) упразднит и разрушит около половины озонового слоя Земли. Сочетание прямого ультрафиолетового облучения с солнечным ультрафиолетовым излучением при прохождении через озоновый слой повлияет на пищевую цепь и инициирует массовое уничтожение. По мнению автора, через миллиард лет ожидается один такой всплеск. Считается, что ордовикско-силурийское разрушение было вызвано таким взрывом.

Множественная фотонная диссоциация

Для прямой фотодиссоциации молекул отдельные фотоны, имеющие спектральный диапазон инфракрасного излучения, могут не иметь достаточного количества энергии. Молекула может получить внутреннюю энергию для преодоления барьера диссоциации после поглощения многих инфракрасных фотонов. Есть несколько способов, которыми можно добиться диссоциации нескольких фотонов. С помощью мощного лазера на свободных электронах, лазера на углекислом газе или столкновений может быть достигнута множественная фотонная диссоциация. Техника известна как инфракрасная радиационная диссоциация черного тела (BIRD), в которой метод столкновений используется для множественной фотонной диссоциации излучения черного тела.

 

Попробуйте ответить на приведенный ниже тест, чтобы проверить, что вы уже узнали о фотолизе.

Викторина

Выберите лучший ответ.

1. Что такое фотолиз?

Расщепление световой энергии через химическое соединение

Расщепление одного химического соединения через другое химическое соединение

Расщепление химического соединения с помощью световой энергии

2. Какое соединение при фотосинтезе подвергается фотолизу?

Углекислый газ

Вода

Кислород

3. В какой части фотосинтеза происходит фотолиз?

Светозависимая реакция

Светонезависимая реакция

Углеродная фиксация

4. Где в растительной клетке происходит фотолиз?

Цитоплазма

Хлоропласт

Митохондрия

5. Что из перечисленного не связано с фотолизом?

Фотосинтез

Формирование озонового слоя

Клеточное дыхание

Отправьте результаты (необязательно)

Ваше имя

Электронная почта

Следующий

Фотолиз | химическая реакция | Британика

  • Развлечения и поп-культура
  • География и путешествия
  • Здоровье и медицина
  • Образ жизни и социальные вопросы
  • Литература
  • Философия и религия
  • Политика, право и правительство
  • Наука
  • Спорт и отдых
  • Технология
  • Изобразительное искусство
  • Всемирная история
  • В этот день в истории
  • Викторины
  • Подкасты
  • Словарь
  • Биографии
  • Резюме
  • Популярные вопросы
  • Обзор недели
  • Инфографика
  • Демистификация
  • Списки
  • #WTFact
  • Товарищи
  • Галереи изображений
  • Прожектор
  • Форум
  • Один хороший факт
  • Развлечения и поп-культура
  • География и путешествия
  • Здоровье и медицина
  • Образ жизни и социальные вопросы
  • Литература
  • Философия и религия
  • Политика, право и правительство
  • Наука
  • Спорт и отдых
  • Технология
  • Изобразительное искусство
  • Всемирная история
  • Britannica объясняет
    В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
  • Britannica Classics
    Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
  • #WTFact Видео
    В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
  • На этот раз в истории
    В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
  • Demystified Videos
    В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
  • Студенческий портал
    Britannica — это лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
  • Портал COVID-19
    Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
  • 100 женщин
    Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.