光化学基础(课堂PPT)

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光对分子的作用
➢ 由于分子平动时电偶极不发生变化，因而不吸收光，不产生 吸收光谱。
➢ 与分子吸收光谱有关的只有分子的转动能级、振动能级和电 子能级。
➢ 每个分子只能存在一定数目的转动、振动和电子能级。
➢ 和原子一样，分子也有其特征能级。在同一电子能级内，分 子因其振动能量不同而分为若干“支级”，当分子处于同一 振动能级时还因其转动能量不同而分为若干“支级” (图 1.1) 。
态时，才能引起化学反应。
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光化学与热化学反应的差异
➢ 光化学反应的活化主要是通过分子吸收一定波长的光来实 现的，而热化学反应的活化主要是分子从环境中吸收热能 而实现的。光化学反应受温度的影响小，有些反应可在接 近0K时发生。
➢ 光活化分子与热活化分子的电子分布及构型有很大不同，光 激发态的分子实际上是基态分子的电子异构体。
宙 射 射外 见 外 波
线 线线
光
无 线 电
1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104
频率/Hz
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光的能量和波长
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光化学中适用的光
光化学反应中，分子吸收的光子所具有的能量 与化学反应中分子的能量变化相匹配才能引起化学 变化。光化学中适用的光，其具有的能量应足以使 化学键断裂，此能量对应相应波长范围。
➢ 被光激发的分子具有较高的能量，可以得到高内能的产物， 如自由基、双自由基等。
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光对分子的作用
1、分子的能量 物质由分子组成，分子的运动有平动、转动、振
动和分子的电子运动，分子的每一种运动状态都具有 一定 的能量。如果不考虑它们之间的相互作用，作为 一级近似，分子的能量(E)可表示为：
E＝E平 + E转 + E振 + E
❖ 当人类的各种活动所产生的化学物质大量进入环境后， 则有可能对环境 中本身发生的光化学过程产生干扰或破坏， 从而对生态环境和人类造成 严重影响和危害。
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电磁波谱
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电磁波谱
10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 波长/m
宇 γ X紫 可 红 微
Hoffmann等又详尽地阐述了半导体光催化在整个环境保护
领域的应用情况。
最近, 光催化技术又转移至一新的领域，即由光引起的
高亲水性, 它在环境方面的应用不仅涉及到自洁表面, 还
ห้องสมุดไป่ตู้
涉及到防雾表面。
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光化学基础
❖ 光的能量和波长 ❖ 热化学和光化学 ❖ 光对分子的作用 ❖ 光物理过程与光化学过程
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能量小于或等于1eV。
红外光作用于分子，只能引起分子转动能级 与振动能级的改变，从而发生光的吸收，产生红 外吸收光谱。
紫外和可见光作用于分子，可使分子的电子 能级(包括转动能级和振动能级)发生改变，产生 可见—紫外吸收光谱。
一 般 来 说 ， 光 化 学 有 效 的 光 的 波 长 范 围 为 1001000nm，但由于受光窗材料和化学键能的限制，光化 学 中 通 常 适 用 的 光 的 波 长 范 围 为 200-700nm ， 其 中 200nm是石英光窗材料的透射限。
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光化学第一定律
光化学第一定律指出，只有被分子（原子、离子） 吸收的光才能诱发体系发生化学变化。当分子吸收 光子被激发到具有足以破坏最弱化学键的高能激发
• 1972 年Fujishima 和 Honda 报道采用TiO2 光电极与铂电 极组成光电化学体系来使水分解为氢和氧，这一发现对光 化学的发展和应用有着重要的意义。
• 1977 年, Frank 和Bard首先验证了用TiO2分解水中氰化物 的可能性, 光催化氧化技术在环保领域的应用成为研究的 热点。
光电化学反应是指光辐照与电解液接触的半导体表面所产生的光生 电子－空穴对被半导体／电解液结的电场所分离后与溶液中离子进行的 氧化还原反应。光电催化是一种特殊的多相催化。光电催化反应可以有 效地抑制光催化反应中光生载流子的快速复合，提高电子——空穴参与 光催化反应的效率。
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光催化反应的研究历史与现状
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❖ 地球能量主要来自太阳辐射，地球上所有的生命过程几乎都依赖太阳辐射 能来维持。太阳光能使全球各圈层中的化学物质发生直接或间接的光化学 反应，由阳光引发的光化学过程是环境中所发生的重要的化学过程之一。
❖ 在阳光的作用下，化合物在各环境圈层中进行着各种光化学反应。
❖ 这些反应影响化合物的迁移、转化、归宿及效应，一般情况下对人类及 生态系统没有不良的影响。
光化学（photochemistry）属于化学领域，它的任 务是研究光和物质相互作用所引起的物理变化和化学变 化，涉及由可见光和紫外光所引起的所有化学反应。
目前光化学所涉及光的波长范围为100～1000nm 即紫外至近红外波段。比紫外波长更短的电磁辐射（X射 线和射线），所引起的光电离和化学变化属于辐射化学 （radiochemistry）的范畴。而远红外波段的或波长更 长的电磁波，其光子能量不足以引起化学变化，因此不 属于光化学研究的范畴。
第一章 光催化与光电催化概述
• 光催化与光电催化研究的内容及范畴 • 光催化研究的历史与现状
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光催化与光电催化研究的内容及范畴
光催化反应是利用光能进行物质转化的一种方式，是光和物质之 间相互作用的多种方式之一，是物质在光和催化剂同时作用下所进行的 化学反应。光催化是催化化学、光电化学、半导体物理、材料化学和环 境科学等多学科交叉的新兴研究领域。
• 1983 年, David Ollis 等提出采用半导体光催化降解有 机物作为水处理方法。
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• 1991 年, 蔡乃才与董庆华介绍了悬浮体系中半导体光催
化的应用, 几乎与此同时 Ollis 等具体介绍了TiO2 光催 化对氯代芳烃、表面活性剂、除草剂与杀虫剂的降解结果
从污水处理这一侧面对光催化的应用进行了综述。此后
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光对分子的作用
图1.1 分子的. 能级图
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光对分子的作用
分子能级的差别：
➢ 转动能级间的能量差最小，一般小于0.05eV；
➢ 振动能级间的能量差一般在0.05~1.00eV之间；
➢ 电子能级间的能量差最大，一般在1~20eV之间。
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光对分子的作用
紫外和可见光的能量大于1eV，而红外光的