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第34章 光化学的化学意义

光的物理性质,有物理学的光学这一部门在研究着。

从化学的角度来谈光,主要的有光能跟化学能的转换,即利用光的作用,促使化学反应产生新物质,或利用物质间的化学反应产生光,这类反应又统称为光化学反应。人尽皆知的植物的光合作用,就是关系到大地繁荣,万物衍生的一个光化学反应。

由于植物光合作用的重要性实在太大了,尽管一开始就说它,未免太复杂,但提到它大家都有切身感受,作为第一个问题来讲,也许会兴趣大一些。

植物的最大本领之一,就是能进行光合作用。20世纪初,德国的化学家维尔斯滕特,对植物色素特别是叶绿素的研究,获得了1915年的诺贝尔化学奖。

人们常把植物吸收了太阳光,就能将二氧化碳和水制成葡萄糖的这一本领,说成植物会进行光合作用。根据近代科学研究的结果表明,这样说,一方面是过分夸大了“光合作用”的作用,另一方面又是过分小看了光合作用的“作用”。

植物能把二氧化碳和水制成葡萄糖(接着再制成其他物质且不说),反应过程十分复杂,到现在人们还没有把它完全弄清楚,只是了解个大概情况和知道了部分物质的结构。而“光”所起的作用,只是一系反应中的一小节,其他的反应都是不需光而在继续进行的。由光引起的这一小节的反应叫做“光反应”,其他的反应叫做“暗反应”。“光合作用”,指的是光反应的那一小节,没有暗反应还是生成不了葡萄糖,没有光合作用的“作用”,即缺了光反应,后面的暗反就成了无米之炊。叶绿素所起的只是从光中取得能量的作用,使水分子变成氧气分子、氢离子和自由电子,从而使以下的暗反应得以继续进行,光所起的作用仅在于此,但这是绿色植物所特有的。

照相术中的感光材料,在曝光时所起的变化,是光化学反应的又一具体应用。现在的感光材料主要是银盐,有氯化银、溴化银和碘化银,它们统称卤化银。在对涂有卤化银胶片曝光的一瞬间,被光照的部分,就有极少的卤化银分解成银原子,它少得只有用电子显微镜才能看到,但对这时底片来说,已按照像时的画面形成了一个潜影。将这一底片放到具有还原性的药液中,在潜影部位的卤化银,受感光时生成的银粒作用,纷纷被还原成银,而没有感光的部位,则仍是卤化银,这一过程叫显影。然后把适当显影后的底片,放到能够溶解卤化银的药液中,把未被感光的卤化银溶解掉,这一过程就叫定影。被感光后的底片或相纸,必须经过显影和定影这两步,再用清水洗净后,就会留有永久性的黑色画面了。

说照相是光化学反应,其实这反应只发生在瞬间。要得到一张相片,还得经过很多其他的化学反应,黑白的和彩色的摄影都是如此。

事实上由光引起的化学反应很普遍,对人有益的,能被人们利用的光化学反应,只是其中的极少数,而多数会给人带来麻烦,甚至会造成危害,如造成大气污染的各种情况中,有一种叫做光化学烟雾的形成,就是光(主要是来自太阳光中的紫外线)在担任了助纣为虐的角色。在光化学烟雾形成之前,空气中最初的污染物,有氮氧化物(NO2)、汽车尾气中放出的有机物,本来这些物质毒性在浓度很小时并不算太大。但是,由于紫外线的引发,它们经过一系列反应,生成了一种叫做氧化酰基硝酸酯的毒性物质,它能引起流泪,并损伤肺细胞,严重有害有人体健康。如何减少和防止这类有害的光化学反应;如改进染料结构,使它经久耐晒不褪色;在橡胶或塑料中添加某种药剂,使它经晒耐用不老化,也是化学家研究的课题。

光化学反应的一个可爱之处,就是它能吸收光特别是太阳光中的能,把它贮藏在反应后的生成物中,人们如会把这生成物中的能放出来,间接的就是利用了太阳能了。我们拿植物做燃料,或是当食物,归根到底就是利用太阳能。现有的各种燃料,如煤和石油,是亿万年前光合作用的产物,它们不仅燃烧时对空气有污染,而且不久将会用完。人们要开发新能源,主要目标还是太阳能。太阳能的新利用、除了物理方法外,化学家正在研究模拟的光合作用,也在研究用太阳能制氢气的化学方法。有了大量的廉价氢气,解决空气污染的问题,也就是指日可数的了。

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