Quang phân (tiếng Anh photolysis) là phản ứng hóa học phá vỡ các hợp chất khi phân tử hấp thụ các photon ánh sáng. Quá trình quang phân bắt đầu khi phân tử nhận một photon ánh sáng và chuyển lên trạng thái kích thích. Ở trạng thái năng lượng cao này, phân tử không bền, có xu hướng trở về trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng thông qua các quá trình vật lý (dưới dạng nhiệt hay phát xạ huỳnh quang, lân quang...) hoặc chuyển đổi quang hóa. Quá trình quang phân có thể xảy ra trực tiếp do phân tử bị phá vỡ liên kết ở trạng thái kích thích hoặc gián tiếp thông qua các phản ứng với các chất có mặt trong môi trường.

Sơ đồ quang phân gián tiếp của một hợp chất hữu cơ ký hiệu là i. PS là là chất nhạy quang. Mũi tên lượn sóng là quá trình chuyển đổi không phát xạ.

Đối với quang phân trực tiếp, khi năng lượng kích thích photon đủ lớn có thể gây ra các biến đổi hóa học trực tiếp trên phân tử ở trạng thái kích thích. Các phản ứng hóa học có thể xảy ra như đồng phân hóa, cộng, tách, phân ly liên kết... Ví dụ, phản ứng hình thành ozon là do quá trình quang phân trực tiếp của oxy khi hấp thụ ánh sáng tử ngoại có bước sóng 160 nm đến 200 nm từ Mặt trời

$\mathrm {O} _{2}+h\nu \to \mathrm {O} ^{*}+\mathrm {O} ^{*}$

sau đó

$\mathrm {O} ^{*}+\mathrm {O} _{2}\to \mathrm {O} _{3}$

Một cơ chế khác, có thể làm phân hủy các hợp chất hóa học khi được kích thích bởi các photon có năng lượng thấp hơn, gọi là quang phân gián tiếp. Hiện tượng quang phân gián tiếp xảy ra khá phổ biến trong nước biển. Bản chất của những biến đổi này là do sự kích thích ban đầu của chất nhạy quang trong nước biển (ví dụ, chất hữu cơ hòa tan), sau đó là sự truyền năng lượng hoặc chuyển electron hoặc nguyên tử hydro và phản ứng tiếp theo xảy ra giữa các gốc tự do với oxy hoặc các chất hóa học khác. Ở bề mặt nước biển, chất nhạy quang bị kích thích bởi ánh sáng và tạo thành các phần tử hoạt động hoá học mạnh, bao gồm oxy singlet (¹O₂), anion supeoxit (O₂^-), peroxy hữu cơ (ROO^*), hydroperoxyl (HO₂^*) và hydroxyl (HO^*). Các phần tử này có thể đẩy nhanh quá trình oxi hóa các hợp chất khác (ví dụ, hydrocarbon béo).

Áp dụng

Quá trình quang phân các chất ô nhiễm trong khí quyển gây nên hiện tượng sương mù quang hóa. Sương mù quang hóa thường được bắt đầu bởi các oxit nitơ có trong khí thải của động cơ và nhà máy công nghiệp. Khi hấp thụ năng lượng của ánh sáng tử ngoại, các oxit này tạo thành oxit nitric (NO) và các nguyên tử oxy (O) tự do, sau đó kết hợp với oxy phân tử (O₂) để tạo thành ozon (O₃). Trong sự hiện diện của hydrocarbon, một số hợp chất hữu cơ khác và của ánh sáng Mặt Trời, một loạt các phản ứng hóa học xảy ra và hình thành sương mù quang hóa. Một cách đơn giản, sương mù quang hoá gồm các phản ứng dưới đây:

$2\mathrm {NO} +\mathrm {O} _{2}\to 2\mathrm {NO} _{2}$

$\mathrm {NO} _{2}+h\nu _{UV-A}\to \mathrm {NO} +\mathrm {O} ^{*}$

$\mathrm {O} ^{*}+\mathrm {O} _{2}\to \mathrm {O} _{3}$

$\mathrm {NO} +\mathrm {O} _{3}\to \mathrm {NO} _{2}+\mathrm {O} _{2}$

$\mathrm {HC} +\mathrm {NO} +\mathrm {O} _{2}\to \mathrm {NO} _{2}+\mathrm {PAN}$

Ở đây, PAN là peroxyacetyl nitrat.

Phản ứng tổng quát với các chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) để thành hợp chất hữu cơ (OCs):

$\mathrm {VOCs} +\mathrm {NO} +h\nu \to \mathrm {O} _{3}+\mathrm {HNO} _{3}+\mathrm {OCs}$

Phản ứng quang phân sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt trời gắn liền với nhiều quá trình trong tự nhiên như quang hợp, hình thành tầng ozon, tẩy màu huỳnh quang…

Phản ứng quang phân được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật nhiếp ảnh truyền thống dựa trên phản ứng phân huỷ AgCl khi tiếp xúc ánh sáng, công nghệ chuyển hoá nước thành hydro và oxy… Trong lĩnh vực môi trường, các chất quang xúc tác được sử dụng để phân huỷ nhiều hợp chất hữu cơ độc hại. Đặc điểm chung của quá trình này là sự hình thành gốc HO^* sau khi vật liệu quang xúc tác như TiO₂, ZnO, CeO₂… hấp thụ photon. HO^* là gốc tự do có hoạt tính oxy hóa mạnh, sẽ tấn công và phá hủy các chất hữu cơ ô nhiễm.

Tài liệu tham khảo

1. Alexei Toutchkine. Merocyanine dyes with improved photostability. Organic letters, 2007, pp. 2775-2777.
2. Brian Wardle. Principles and applications of photochemistry. John Wiley & Sons, 2009.
3. Scott Stout et al. Standard handbook oil spill environmental forensics (2nd Edition), Academic Press, 2016.