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냉철한라마35
광화학 반응에서 빛 에너지가 활성화 에너지 장벽을 우회하는 원리가 궁금해요
자외선이나 가시광선을 흡수한 분자가 바닥상태에서 들뜬상태로 전이되면서 열에너지 없이도 상온에서 빛에 의해 아주 빠르게 진행되는 광화학 반응의 특징이 궁금합니다.
6개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
광화학 반응에서는 분자가 자외선이나 가시광선의 에너지를 흡수하면서 전자가 바닥상태에서 더 높은 들뜬 상태로 올라갑니다. 이 들뜬 상태에서는 원래 상태와 전자배치가 달라서 결합의 세기와 반응성이 크게 변하고, 평소보다 반응이 훨씬 쉽게 일어날 수 있습니다.
열을 가해 분자 전체의 운동에너지를 높이는 대신 , 빛이 특정 전자에 직접 에너지를 전달해 다른 반응 경로를 열어주는 것입니다. 이 새로운 경로에서는 기존 바닥상태에서 넘어야 했던 활성화 에너지 장벽이 낮아지거나 전혀 다른 반응이 가능해질 수 있습니다.
그래서 광화학 반응은 상온에서도 빠르게 진행될 수 있고 ,파장에 따라 특정 결합만 선택적으로 반응시키는 것도 가능할 수 있습니다. 빛은 단순히 물질을 데우는 것이 아니라 분자의 전자상태 자체를 바꿔 반응하기 쉬운 상태로 만들어주는 역할을 합니다.
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채택된 답변안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
광화학 반응은 분자가 빛을 흡수해 전자가 바닥상태에서 들뜬상태로 한 번에 도약하면서 시작됩니다.
열로 분자 전체를 가열해 활성화 에너지 장벽을 넘는 대신 빛이 특정 전자에 직접 에너지를 공급해 장벽을 우회하거나 아예 다른 반응 경로를 열어주기 때문에 상온에서도 매우 빠르게 진행된답니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
열 반응에서는 분자들이 부딪히며 에너지를 주고받다가 우연히 활성화 에너지를 넘은 분자만 반응해요. 상온에서 분자의 평균 열에너지는 1몰당 2.5kJ 정도라, 활성화 에너지가 100kJ/mol인 반응은 그 문턱을 넘는 분자가 극히 드물어요.
빛은 이 확률 게임을 건너뛰어요. 광자 하나는 분자 하나에 한꺼번에 흡수되는데, 파장 300nm 자외선 광자를 1몰로 환산하면 약 400kJ, 500nm 가시광선도 약 240kJ나 돼요. 이 에너지가 전자 하나를 결합 오비탈에서 반결합 오비탈로 올려 보내면 결합이 약해지고, 들뜬상태에서는 장벽이 아주 낮거나 아예 없는 경로로 반응이 진행돼요. 이중 결합 회전처럼 바닥상태에서 막혀 있던 반응도 가능해져요.
그래서 광화학 반응은 온도보다 흡수된 광자 수가 속도를 정해요. 눈의 시각 세포에서는 레티날이 빛을 받아 시스형에서 트랜스형으로 바뀌는 데 200펨토초 정도밖에 걸리지 않아요. 수소와 염소 혼합 기체는 어두운 곳에서는 거의 반응하지 않다가, 빛을 쬐면 염소 분자가 쪼개지며 시작된 연쇄 반응으로 폭발해요 :)
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
빛을 받아서 일어나는 반응이 상온에서도 순식간에 진행되는 것은 분자가 에너지를 흡수해서 전자 상태가 바뀌기 때문이죠. 평소에는 열을 받아서 높은 산을 넘어야 합니다. 하지만 빛을 흡수한 분자는 아예 에너지가 높은 들뜬 상태로 뛰어오르죠. 그래서 기존에 가로막고 있던 활성화 에너지 장벽을 아예 우회해서 넘어가 버립니다.
그러니 전자가 들뜨면서 분자 구조 자체가 반응하기 쉬운 상태로 변하는 거죠. 바닥 상태일 때랑은 완전히 다른 에너지 곡선을 타게 됩니다. 그래서 결론적으로 뜨거운 열을 주지 않아도 빛 에너지 하나만으로도 빠르게 화학 결합이 바뀔 수 있는 거죠.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
광화학 반응은 분자가 자외선이나 가시광선 같은 특정 파장의 빛 에너지를 흡수하여 바닥상태에서 전자가 더 높은 에너지 준위의 들뜬상태로 즉각 전이되면서 시작됩니다 이때 분자는 열에너지에 의존해 열적 활성화 에너지 장벽을 넘는 전통적인 경로를 거치지 않고 광자에 의해 전자 구조 자체가 급격히 변환되면서 새로운 전이상태나 반응 경로를 직접 형성합니다. 즉 빛 에너지가 분자 내 전자를 오비탈 간에 직접 도약시켜 화학 결합을 끊거나 재배열하는 데 필요한 에너지를 한 번에 공급하기 때문에 상온에서도 극도로 빠르게 반응이 진행됩니다 이로 인해 열역학적으로 불가능하거나 상온에서는 상상하기 힘든 반응도 광자 흡수 한 번으로 순식간에 활성화 에너지 장벽을 우회하여 진행될 수 있습니다. 결과적으로 광화학 반응은 외부의 높은 열 공급 없이도 빛의 선택적 에너지 전달을 통해 고유의 반응 경로를 효율적으로 개척하는 독특한 화학적 특성을 지닙니다
안녕하세요.
광화학 반응은 분자가 빛을 흡수해 들뜬상태가 되면서 반응성이 크게 달라지는 현상이에요.
빛 에너지를 흡수하면 전자의 상태가 바뀌어 평소에는 어려운 반응도 일어날 수 있죠. 열로 분자 전체의 에너지를 높이는 대신, 빛이 전자 상태를 직접 바꿔 반응 경로를 열어주는 셈이에요. 다만 활성화 에너지가 완전히 사라지는 것은 아니고, 들뜬상태에서는 다른 반응 경로가 가능해질 수 있어요.
그래서 상온에서도 광분해나 광합성 같은 반응들이 진행될 수 있는 것이고, 반응 속도는 빛의 파장이나 세기, 분자의 구조에 따라서 달라지게 돼요.
감사합니다.