Phản ứng quang hóa hay quá trình quang hóa được hiểu là hàng loạt những phản ứng hóa học xảy ra, trong đó năng lượng cần thiết cho phản ứng là năng lượng mặt trời ( bức xạđiện từ ).
Có thể nói một phản ứng quang hóa được chia làm hai giai đoạn, giai
đoạn một là giai đoạn khơi mào, chất tham gia phản ứng hấp thụ bức xạđiện từ ( một photon ) thích hợp, chuyển lên trạng thái kích hoạt, là trạng thái có khả
năng tham gia phản ứng mạnh mẽ, có thể biểu diễn : A + hυ → A*
Trong đó A* chỉ trạng thái kích hoạt của A. A có thể là nguyên tử, phân tử
hay ion, còn A* có thể coi như một hình thái hóa học hoàn toàn mới so với A Giai đoạn hai là khi A* tham gia vào các phản ứng tiếp theo, có thể kể đến một số loại phản ứng như sau :
- Phản ứng tỏa nhiệt: A*→ A + E với E là năng lượng giải phóng
- Phản ứng phát huỳnh quang ( phát xạ ): A* → A + hυ
- Phản ứng khử hoạt tính do va chạm: Năng lượng lượng của phần tử bị kích hoạt do phản ứng quang hóa được chuyển cho phần tử khác, làm cho chúng trở thành kích hoạt, gọi là phản ứng trao đổi năng lượng liên phân tử:
A* + M → M* + A
Ngoài ra, năng lượng còn có thể trao đổi ngay trong phân tử, làm biến đổi phân tử từ trạng thái kích hoạt này sang trạng thái kích hoạt khác:
- Phản ứng ion hóa: Nếu năng lượng do photon cung cấp đủ lớn, thì các electron không những chỉ bị đẩy lên trạng thái có năng lượng cao hơn mà còn bị đẩy ra ngoài phạm vi ảnh hưởng của liên kết hóa học của phân tử, trở thành các electron tự do và biến nguyên tử hay phân tửđó thành ion dương.
A*→ A+ + e
- Phản ứng hóa học: Các phần tử bị kích hoạt là những chất có hoạt tính hóa học rất cao, rất dễ tham gia vào các phản ứng hóa học tạo thành những hợp chất mới trong khí quyển, khi này gọi là các phản ứng quang hóa học. Đây là những phản ứng quan trọng nhất trong khí quyển và lại có thể chia thành các loại phản ứng như sau:
Liên kết quang hóa: Khi các phần tử kích hoạt liên kết với các phân tử
khác mà nó gặp, tạo ra hợp chất mới mà không cần điều kiện nhiệt độ, áp suất: A* + B → C + D + …
Ví dụ: NO2* kích hoạt liên kết với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi tạo nên các hợp chất nitro rất độc mà ở điều kiện bình thường không tạo ra được.
Phân li quang hóa: Khi các phần tử kích hoạt có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết hóa học nhiều, sẽ bị phân li thành các hợp chất mới
A*→ B + C + …
Ví dụ: NO2* kích hoạt phân li tạo ra oxyt NO và oxy O nguyên tử có tính oxyhóa rất mạnh, sẽ tiếp tục tác dụng với chất khác.
Đồng phân tự phát: Năng lượng dư trong các phân tử kích hoạt có thể làm thay đổi các liên kết trong phân tử, tạo ra đồng phân.
Đặc điểm quan trọng của phản ứng quang hóa là có tính chọn lọc, vì quá trình hấp thụ năng lượng của photon chỉ xảy ra với những phần tử nhất định thích hợp có khả năng hấp thụ, cũng như mỗi photon chỉ có khả kích thích những phần tử có cấu tạo nhất định phù hợp với nó .
Nói chung phản ứng quang hóa ở hạ tầng khí quyển bị hạn chế, bởi lẽ
không có một bức xạ nào với bước sóng nhỏ hơn 290nm ( bức xạ tử ngoại ) đi tới được tầng đối lưu do Ozon và một số chất trong tầng bình lưu hầu như đã hấp thụ tất cả bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 290nm. Vì vậy, về mặt ô nhiễm
không khí mà nói, những chất hấp thụđược chú ý đến là những chất hấp thụ bức xạđiện từ có bước sóng trong khoảng từ 300nm đến 800nm.
Các phản ứng quang hóa có vai trò quan trọng trong việc hình thành các chất gây ô nhiễm không khí, vì những sản phẩm của chúng ( chủ yếu là các gốc tự do) có khả năng khơi mào hoặc tham gia vào một số lớn các phản ứng khác liên quang đến sự chuyển hóa của các chất ô nhiễm sơ cấp thành chất ô nhiễm thứ cấp. Trong số các chất ô nhiễm sơ cấp như NO, CO, NO2, SO2, hidrocacbon,... thì chỉ có NO2 là chất hấp thụ chính các bức xạ có bước sóng phổ
biến trong vùng hạ tầng khí quyển. Sau đây chúng ta xét một số phản ứng quang hóa điển hình gây nên sự ô nhiễm môi trường không khí.