واکنش فتوشیمیایی چیست و چه خطری برای سلامتی انسان دارد؟

فتوشیمیایی یک واکنش شیمیایی است که با جذب انرژی به شکل نور آغاز می شود که نتیجه جذب نور توسط مولکول ها ایجاد حالت های تحریک موقت است که خصوصیات شیمیایی و فیزیکی آنها را تغییر می دهد.

این گونه های شیمیایی جدید می توانند از هم بپاشند ، به ساختارهای جدید تغییر کنند ، با یکدیگر یا مولکول های دیگر ترکیب شوند یا الکترون ها ، اتم های هیدروژن ، پروتون ها یا انرژی تحریک الکترونیکی را به سایر مولکول ها منتقل کنند. حالت های برانگیخته نسبت به حالتهای اصلی ، اسیدهای قویتر و کاهنده های قوی تری هستند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

تاریخچه کشف واکنش فتوشیمیایی

استفاده از فتوشیمی توسط انسان در اواخر عصر مفرغ در سال ۱۵۰۰ قبل از میلاد هنگامی که قوم کنعانی در خط ساحلی شرقی مدیترانه مستقر بودند، آغاز شد. آنها با استفاده از یک واکنش فتوشیمیایی ، یک رنگ بنفش تند (که اکنون ۶،۶-dibromoindigotin نامیده می شود) را از نرم تنان بومی تهیه کردند . در حقیقت ، کلمه کنعان ممکن است به معنی “بنفش قرمز” باشد. این رنگ که به بنفش تیری معروف است ، بعداً برای رنگ آمیزی روپوش سزارهای رومی مورد استفاده قرار گرفت.

در ساده ترین فرآیند فتوشیمیایی ، حالات برانگیخته می توانند نور را به صورت فلورسانس یا فسفرسانس منتشر کنند. در سال ۱۵۶۵ ، پزشک اسپانیایی ، نیکولاس موناردس ، هنگام بررسی یک چوب مکزیکی که درد شدید سنگ های ادراری را تسکین می داد ، عصاره آبی (پایه آب) از چوب تهیه کرد که هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید به رنگ آبی درخشان تبدیل شد.

در سال ۱۸۵۳ جورج استوكس ، فیزیكدان انگلیسی متوجه شد كه محلول كینین در معرض برق ، تابش كوتاهی از رنگ آبی ایجاد می كند كه وی آن را فلورسانس نامید. استوکس دریافت که صاعقه به شکل نور ماورا بنفش انرژی تولید می کند. مولکول های کینین این انرژی را جذب کرده و سپس آن را به صورت تابش آبی کم انرژی ظاهر می کنند.

در قرن ۱۹ و اوایل قرن ۲۰ ، دانشمندان درک اساسی از اساس فلورسانس و فسفرسانس را ایجاد کردند. پایه و اساس آن این بود که مواد (رنگها و فسفرها) باید توانایی جذب تابش نوری را داشته باشند.

توصیف مکانیکی کوانتومی معاصر از جذب تابش نوری شامل ارتقا الکترون از مدار کم انرژی به مدار پرانرژی تر است. این مولکول های برانگیخته غالباً دارای خصوصیات شدیداً متفاوتی با مولکول حالت اصلی است. علاوه بر این ، حالت برانگیخته یک مولکول مدت کوتاهی طول می کشد زیرا توالی حوادث آن را به حالت اولیه خود باز می گرداند یا یک گونه شیمیایی جدید را تشکیل می دهد که در نهایت به حالت پایه خود می رسد.

واکنش های فتوشیمیایی مهم در گیاهان و بدن انسان

یکی از مهمترین فرایندهای فتوشیمیایی فتوسنتز است که تقریباً تمام زندگی روی زمین به آن بستگی دارد. از طریق فتوسنتز ، گیاهان با تشکیل کربوهیدرات از دی اکسید کربن جو و آب و آزاد سازی اکسیژن مولکولی به عنوان محصول جانبی ، انرژی نور خورشید را به انرژی شیمیایی ذخیره شده تبدیل می کنند. کربوهیدرات ها و اکسیژن برای حفظ حیات حیوانات مورد نیاز است.

حتی بینایی نیز با یک واکنش فتوشیمیایی در چشم شروع می شود. در این واکنش رتینال – یک مولکول در سلول گیرنده نوری رودوپسین پس از جذب نور یک پیوند دو گانه ایزومری ایجاد می کند (یا تغییر شکل می دهد).

ویتامین D که برای رشد طبیعی استخوان ، دندان و عملکرد کلیه لازم است، در پوست پس از قرار گرفتن در معرض ماده شیمیایی ۷- دهیدروکلسترول در برابر نور خورشید ایجاد می شود.

ازن سطح زمین را از اشعه ماورا بنفش شدید و عمیق (UV) محافظت می کند که به DNA آسیب می رساند، در استراتوسفر با تفکیک فتوشیمیایی اکسیژن مولکولی (O2) به اتمهای اکسیژن منفرد ایجاد می شود و به دنبال آن واکنش بعدی آن اکسیژن ایجاد می شود تا ازن (O3) تولید شود.
اشعه ماورا بنفش که از لایه ازن عبور می کند ، به طور فتوشیمیایی به DNA آسیب می رساند ، که به نوبه خود جهش هایی در همانندسازی ایجاد می کند که می تواند منجر به سرطان پوست شود.

واکنشهای فتوشیمیایی و حالت های برانگیخته در بسیاری از فرآیندها و دستگاههای تجاری حیاتی هستند. عکاسی و زیرگرافی هر دو مبتنی بر فرآیندهای فتوشیمیایی هستند در حالی که ساخت تراشه های نیمه هادی یا تهیه ماسک برای چاپ روزنامه ها به نور ماورا UV بنفش متکی است تا مولکول ها را در مناطق انتخاب شده ماسک های پلیمری از بین ببرد.

اثرات سلامتی واکنش فتوشیمیایی

آلودگی هوا ناشی از مواد زائد موجود در هوا است که بر آن تأثیر سو می گذارد. آلودگی فتوشیمیایی هوا در اثر تشکیل مه دود فتوشیمیایی در محدوده بسیار از کلان شهرها رخ می دهد و شامل مخلوط پیچیده ای از چند ترکیب است.

این دود شیمیایی هنگامی ایجاد می شود که نور خورشید با برخی مواد شیمیایی در جو برهم کنش داشته باشد. ازن جز اصلی در این نوع آلودگی هوا است. ازن موجود در استراتوسفر از ما در برابر اشعه ماورا بنفش مضر محافظت می کند ، اما روی زمین برای سلامتی انسان خطرناک است. ازن در سطح زمین هنگامی ایجاد می شود که دود وسایل نقلیه موتوری حاوی اکسید نیتروژن و ترکیبات آلی فرار (تولید شده از رنگ و تبخیر سوخت و حلال ها) باشد و در حضور نور خورشید واکنش نشان دهند.

مه دود فتوشیمیایی قادر است صدمات جبران ناپذیری به ریه ها و قلب وارد کند. حتی قرار گرفتن کوتاه مدت در معرض مه دود فتوشیمیایی نیز تأثیرات سوئی بر جوانان و سالمندان دارد. این مسئله باعث تحریک دردناک سیستم تنفسی ، کاهش عملکرد ریه و دشواری تنفس می شود. این امر هنگام ورزش یا کار در فضای باز بیشتر مشهود است. میزان بالای دود نیز باعث حملات آسم می شود زیرا این دود باعث افزایش حساسیت به مواد حساسیت زا می شود که عامل آسم هستند.

افرادی که از قبل مشکلات بهداشتی دارند (مانند بیماری های تنفسی) به ازن حساس هستند. در کودکان ، افراد مسن و افرادی که عملکرد ریوی ضعیف دارند ، در مقایسه با بزرگسالان سالم ، خطر ابتلا به بیماری تنفسی ناشی از مه دود فتوشیمیایی بسیار بیشتر است.

اثرات واکنش فتوشیمیایی بر محیط زیست

مه دود شیمیایی اثرات مخربی بر محیط زیست دارد. مجموعه مواد شیمیایی موجود در مه دود باعث ایجاد مشکلاتی در زندگی گیاهان و حیوانات می شود. بعضی از گیاهان مانند تنباکو ، گوجه فرنگی و اسفناج واکنش زیادی نسبت به ازن نشان می دهند بنابراین مه دود فتوشیمیایی می تواند این محصولات حساس ، درختان و سایر پوشش های گیاهی را از بین ببرد. ازن باعث ایجاد الگوهای نکروزه (مرده) در سطوح فوقانی برگ درختان می شود. ازن در سطح زمین همچنین می تواند در رشد و بهره وری درختان تداخل ایجاد کند. اثرات مه دود بر حیوانات نیز مشابه تأثیر آن بر انسان است و ظرفیت ریوی را کاهش می دهد.

روش های کاهش یا پیشگیری از مه دود فتوشیمیایی

به طور کلی ، مه دود فتوشیمیایی در اوایل صبح یا عصر کمتر است بنابراین ، ورزش و برنامه های خارج از منزل در این قسمت از روز ، قرار گرفتن در معرض دود را محدود می کند. میزان تولید گازهای گلخانه ای از اتومبیل و سایر وسایل نقلیه بزرگترین منبع دود است. با رانندگی کمتر ، استفاده از وسایل نقلیه عمومی و حفظ شرایط مناسب خودرو ، میزان آلاینده های روزانه را کاهش دهید. اقدامات کوچک دیگر ، مانند محکم بستن درب محصولات شیمیایی مانند مواد شیمیایی باغ ، حلال ها و پاک کننده های خانگی ، تبخیر مواد شیمیایی را به حداقل می رساند و به کاهش مه دود کمک می کند.

مشکل مه دود فتوشیمیایی همچنین اصلاحات جدی تری برای کاهش انتشار دود ایجاد کرده است. استفاده از انواع دیگر سوخت ها ، گوگرد زدایی گازهای سوختی از نیروگاه های زغال سنگ ، گسترش حمل و نقل ریلی عمومی و استفاده از کود با آلایندگی کم در کشاورزی برخی از مراحلی است که سطح دود شیمیایی را به شدت کاهش داده است.