فيديو الدرس: التفاعلات الكيميائية الضوئية الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف يلعب الضوء دورًا مهمًّا في تفاعلات كيميائية معينة، وهي التي نسميها التفاعلات الكيميائية الضوئية. وسوف نتعلم كيف يحدث ذلك باستعراض عمليات عديدة مثل تحميض الصور الفوتوجرافية، والبناء الضوئي، وتدمير الأوزون.

تحتاج جميع النباتات إلى ضوء الشمس لكي تنمو. فما السبب في ذلك؟ حسنًا، النباتات قادرة على تحويل الطاقة الضوئية المستمدة من الشمس إلى طاقة كيميائية يمكنها استخدامها لكي تنمو، وتعرف هذه العملية بالبناء الضوئي. يحدث البناء الضوئي في جزء من النبات يسمى البلاستيدات الخضراء، وهي التي تحتوي على جزيء كبير معقد يسمى الكلوروفيل. والكلوروفيل هو صبغة توجد في النباتات تمتص الضوءين الأحمر والأزرق اللذين يصدران عن الشمس. أما الضوء الأخضر الذي يصدر عن الشمس فلا تمتصه النباتات. بل إنه ينعكس، وهذا هو السبب الذي يجعلنا نرى النباتات خضراء اللون. فالضوء الأخضر الذي تعكسه النباتات هو ما تراه عيناك.

والضوءان الأحمر والأزرق اللذان يمتصهما النبات يوفران الطاقة اللازمة لكي ينتج النبات الجلوكوز؛ وهو السكر الذي يستخدمه النبات غذاء له. والضوء المستمد من الشمس بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون المستمد من الهواء، والماء هي كل ما يحتاج إليه النبات ليصنع الطعام لنفسه، بالإضافة إلى الناتج الآخر الذي ينتج عن عملية البناء الضوئي؛ وهو الأكسجين الذي نتنفسه.

بإمكاننا أن نلاحظ عملية البناء الضوئي بأنفسنا في تجربة تتضمن نبات الخيزران المائي أو النبات المسمى بالإيلوديا. إذا أجريت هذه التجربة في مكان مظلم، فلن ترى شيئًا يحدث. وإذا وضعت هذا النبات في ضوء ضعيف، فستبدأ في رؤية بعض الفقاعات وهي تتكون، وسوف يتجمع غاز ما في أنبوب الاختبار. وإذا أجريت هذه التجربة في ضوء شديد، فسترى ظهور مزيد من الفقاعات، وسوف يتجمع كثير من الغاز في أنبوب الاختبار. هذا الغاز الذي نتج هو الأكسجين، وهو أحد نواتج عملية البناء الضوئي. عندما أجرينا التجربة في ضوء منخفض، رأينا إنتاج بعض من الأكسجين، وعندما أجريناها في ضوء شديد، لاحظنا إنتاج الكثير من الأكسجين. ولكن عند وضع النبات في مكان مظلم، لم نتمكن من ملاحظة إنتاج أي أكسجين.

البناء الضوئي هو أحد أمثلة التفاعلات الكيميائية الضوئية؛ وهو عملية تبدأ بامتصاص الضوء. سوف تلاحظ أن كلمة «ضوء» مكتوبة فوق سهم التفاعل في المعادلة الكيميائية التي تصف عملية البناء الضوئي. وسوف ترى ذلك في جميع التفاعلات الكيميائية الضوئية نظرًا لأنها تحتاج إلى ضوء لكي تبدأ. أحيانًا، قد ترى كلمة «فوتون» أو الرمز ‪ℎ𝜈‬‏ بدلًا من كلمة «ضوء». وهذا لأن الضوء يتكون من جسيمات أساسية تسمى فوتونات، ولكننا سوف نلتزم باستخدام كلمة «ضوء» في هذا الفيديو. والآن، لنستعرض مزيدًا من الأمثلة الخاصة بالتفاعلات الكيميائية الضوئية.

المثال التالي الذي سنستعرضه هو الاختزال الضوئي لكلوريد الفضة. كلوريد الفضة وصيغته ‪AgCl‬‏ هو مسحوق أبيض، ولكنك إذا سلطت شعاع ليزر عليه، فإنه يتحول إلى اللون الرمادي. لنكتشف ما يحدث هنا. كلوريد الفضة مادة أيونية؛ وهذا يعني أنها تتكون من أيونات الفضة وأيونات الكلوريد. ويتسبب ضوء الليزر في جعل أيونات الكلوريد تفقد إلكترونًا وتكون ذرات الكلور. وفقد الإلكترونات هذا يسمى الأكسدة. إذن، تتضمن هذه الخطوة الأولى تسبب الضوء في أكسدة أيونات الكلوريد بحيث تتكون ذرات الكلور. بالطبع، لا يمكن لذرات الكلور أن توجد بمفردها، وهو ما يجعلها تتحد مع غيرها من ذرات الكلور مكونة غاز الكلور. بعد ذلك، تكتسب أيونات الفضة الإلكترون الذي فقدته أيونات الكلوريد مكونة ذرات الفضة. وتسمى عملية اكتساب الإلكترون هذه بالاختزال.

وهكذا، فإن التفاعل الكامل لهذه العملية هو كلوريد الفضة يتفاعل في وجود الضوء ليكون الفضة زائد غاز الكلور. لذا، عندما نسلط شعاع ليزر على كلوريد الفضة، فإن الضوء يجعل أيونات الفضة تختزل إلى ذرات الفضة؛ وهو المسحوق الرمادي الذي رأيناه. وهذا هو السبب وراء تسمية ذلك بالاختزال الضوئي لكلوريد الفضة. فالضوء يسبب اختزال الفضة.

هكذا تعمل الكاميرات التي تستخدم الأفلام. يتكون الفيلم من قطعة بلاستيكية مغلفة بجيلاتين مخلوط بكلوريد الفضة أو أي من هاليدات الفضة. وعندما تلتقط صورة بالكاميرا، يدخل الضوء إلى الكاميرا عبر العدسة. ونظرًا لأن كلوريد الفضة يتغير لونه عندما يتعرض للضوء، فإنك عندما تلتقط الصورة، تتغير ألوان أجزاء مختلفة من الفيلم اعتمادًا على كمية الضوء الذي تتعرض له من خلال عدسة الكاميرا، وهو ما يتسبب في ظهور الصورة على الفيلم. بعد ذلك، من الممكن تحميض الفيلم بحيث لا يصبح حساسًا للضوء مما يحافظ على الصورة التي التقطتها.

التفاعل التالي الذي سنستعرضه هو تفاعل يحدث دومًا في الغلاف الجوي للأرض. ينتج جزيء الأوزون في الأساس في الجزء العلوي من الغلاف الجوي للأرض؛ وهو الذي يسمى طبقة الستراتوسفير. ويبدأ تكون الأوزون باصطدام الأشعة فوق البنفسجية التي تصدر عن الشمس بجزيء الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي للأرض. وهذا يجعل جزيء الأكسجين ينقسم إلى ذرتي أكسجين منفردتين. بعد ذلك، تصطدم ذرتا الأكسجين هاتان بجزيئات أكسجين أخرى بحيث تنتج الأوزون أو جزيئات ‪O3‬‏. وهكذا، فإن التفاعل الكامل لتكوين الأوزون هو ثلاثة جزيئات من الأكسجين تتفاعل لتكون جزيئين من الأوزون.

قد تجعل الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس أيضًا هذا التفاعل يسير في الاتجاه المقابل. فالأشعة فوق البنفسجية بإمكانها تفكيك جزيء الأوزون؛ بحيث تنتج جزيء أكسجين وذرة أكسجين. ويمكن لذرة الأكسجين هذه أن تصطدم بجزيء أوزون آخر بحيث يتكون جزيئان أو أكثر من جزيئات الأكسجين. وهكذا فإن التفاعل الكامل لتدمير الأوزون هو جزيئا أوزون يتفاعلان ليكونا ثلاثة جزيئات أكسجين. والأوزون الذي ينتج في الطبقة العليا من الغلاف الجوي للأرض نتيجة لاصطدام الأشعة فوق البنفسجية بجزيئات الأكسجين لتكوين جزيئات الأوزون مهم للغاية للحياة على الأرض. فالأوزون يحجب معظم الأشعة فوق البنفسجية ذات الترددات العالية الصادرة عن الشمس، وهي التي يمكن أن تتلف الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في خلايانا.

ورغم أن الأوزون يتكون ويدمر بصورة مستمرة في الغلاف الجوي العلوي للأرض، فإن هذين التفاعلين يحدثان بمعدل يمكننا من الحفاظ على طبقة أوزون جيدة للغلاف الجوي من الأرض تحمينا من الأشعة فوق البنفسجية. من المؤسف أن بعض المواد الكيميائية التي ينتجها البشر في الغلاف الجوي مثل مركبات الكلوروفلوروكربون ‪(CFCs)‬‏، التي تستخدم في الثلاجات والبخاخات ومكيفات الهواء، تعمل عاملًا حفازًا لتدمير الأوزون لا لتكوينه. وهذا يعني أننا لم نعد نحظى بالتوازن المناسب بين تكوين الأوزون وتدميره الذي يحمينا من الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس.

ونظرًا لأن تدمير الأوزون يجب تحفيزه، في حين أن تكوين الأوزون ليس كذلك؛ فإن تدمير الأوزون يكون أسرع من إنتاجه، وهو ما يعني وصول مزيد من الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس إلى الغلاف الجوي للأرض. وقد منع استخدام مركبات الكلوروفلوروكربون وغيرها من المواد الكيميائية التي تحفز تدمير الأوزون في غالبية الدول لهذا السبب. لحسن الحظ، هذه المركبات لا تظل في الغلاف الجوي للأبد. ونظرًا لتدمير الأوزون وتكوينه بشكل مستمر، فإن الأوزون في الغلاف الجوي سيعود إلى مستوياته الطبيعية.

المثال الأخير الذي سنتناوله لتفاعل كيميائي ضوئي هو الضباب الكيميائي الضوئي. الضباب الكيميائي الضوئي هو نوع من تلوث الهواء يوجد بكثرة في المدن. وهو يظهر على شكل سديم بني. وهذا الضباب ينتج بسبب تفاعل يحدث بسبب أحد النواتج الثانوية لحرق الوقود الأحفوري. فعند حرق الوقود الأحفوري في ماكينات مثل المركبات، تنبعث مواد كيميائية مثل أكسيد النيتروجين. وهذه المواد الكيميائية التي تنبعث بإمكانها التفاعل مع الضوء الصادر من الشمس؛ وهو ما يكون الضباب. وهذا الضباب ليس ذا منظر غير مرغوب فحسب، وإنما قد يسبب مشكلات تنفسية للأشخاص المعرضين له.

وبعد أن تعرفنا على التفاعلات الكيميائية الضوئية ورأينا العديد من الأمثلة عليها. دعونا نستعرض بعض المسائل التدريبية.

أي العبارات الآتية تصف التفاعل الكيميائي الضوئي وصفًا صحيحًا؟ (أ) التفاعل الكيميائي الضوئي هو تفاعل كيميائي يحدث دون امتصاص الطاقة من الضوء. (ب) التفاعل الكيميائي الضوئي هو تفاعل كيميائي يصدر ومضات ساطعة من الضوء. (ج) التفاعل الكيميائي الضوئي هو تفاعل كيميائي يبدأ بارتفاع في درجة الحرارة. (د) التفاعل الكيميائي الضوئي هو تفاعل كيميائي لا يتضمن انتقال الإلكترونات. (هـ) التفاعل الكيميائي الضوئي هو تفاعل كيميائي يبدأ بواسطة امتصاص الطاقة من الضوء.

التفاعل الكيميائي الضوئي هو تفاعل كيميائي يبدأ بواسطة امتصاص الضوء. وبإمكاننا التعرف على هذه الأنواع من التفاعلات لأن كلمة «ضوء» ستظهر أعلى سهم التفاعل في المعادلة الكيميائية. من الواضح أن هذا التعريف ينطبق على الاختيار (هـ)، ولكن لنلق نظرة سريعة على بقية الاختيارات.

يقول الخيار (أ) إن التفاعل الكيميائي الضوئي يحدث دون امتصاص الطاقة من الضوء، وهو عكس طبيعة التفاعل الكيميائي الضوئي. ولذا فإنه ليس الاختيار الصحيح. يقول الخيار التالي إن التفاعل الكيميائي الضوئي يصدر ومضات ساطعة من الضوء. هناك أمثلة عديدة للتفاعلات الكيميائية التي تنتج الضوء. وهناك أنواع معينة من قناديل البحر تصدر ضوءًا حيويًّا أو تتوهج على سبيل المثال. ولكن الضوء في هذه الأنواع من التفاعلات هو ناتج، فهي لا تتطلب الضوء لكي تبدأ التفاعل.

الاختيار التالي معني بارتفاع في درجة الحرارة. هناك أمثلة عديدة لتفاعلات تبدأ بامتصاص الطاقة من ارتفاع في درجة الحرارة، ولكننا نتحدث تحديدًا عن التفاعلات التي تبدأ بامتصاص الطاقة من الضوء. يقول الخيار التالي إن التفاعلات الكيميائية الضوئية لا تتضمن انتقال الإلكترونات. حسنًا، يتضح أن هناك أمثلة عديدة لتفاعلات كيميائية ضوئية تتضمن بالفعل انتقال إلكترونات. على سبيل المثال، عند تسليط الضوء على كلوريد الفضة، تنتقل الإلكترونات من أيونات الكلوريد إلى أيونات الفضة. ولكن انتقال الإلكترونات من عدمه ليس تعريف التفاعل الكيميائي الضوئي. التفاعلات الكيميائية الضوئية هي ببساطة تفاعلات تبدأ بامتصاص الطاقة من الضوء.

في الغلاف الجوي، قد تؤدي الأشعة فوق البنفسجية إلى تفكك جزيئات غاز الأكسجين إلى ذرات منفردة من الأكسجين. ما المعادلة الكيميائية لهذا التفاعل؟

في التفاعل الكيميائي الموصوف في هذا السؤال، تؤدي الأشعة فوق البنفسجية إلى تفكك غاز الأكسجين، وصيغته الكيميائية ‪O2‬‏، إلى ذرات أكسجين منفردة. وهكذا، إذا بدأنا بجزيء واحد من غاز الأكسجين، فإنه سوف يتفكك إلى ذرتي أكسجين منفردتين. ولإكمال المعادلة الكيميائية، يجب ألا ننسى كتابة كلمة «ضوء» فوق سهم التفاعل لأن هذا التفاعل يتطلب أشعة فوق بنفسجية لكي يبدأ، وهو ما يجعل هذا التفاعل المحدد تفاعلًا كيميائيًّا ضوئيًّا. هذا التفاعل المذكور هو الخطوة الأولى في تفاعل تكوين الأوزون في الغلاف الجوي للأرض.

تتضمن الخطوة التالية للتفاعل اصطدام كل ذرة من ذرتي الأكسجين المنفردتين الناتجتين بجزيء آخر من غاز الأكسجين، لتكون كل منهما جزيء أوزون أو ‪O3‬‏. هذا التفاعل الكيميائي الضوئي الذي يبدأ باصطدام الأشعة فوق البنفسجية بالأكسجين الموجود في الغلاف الجوي مهم للغاية للحياة على كوكب الأرض؛ نظرًا لأن الأوزون يحمينا من الآثار الضارة للأشعة فوق البنفسجية. ولكن هذا السؤال يتعلق فقط بالخطوة الأولى في هذه العملية؛ حيث تؤدي الأشعة فوق البنفسجية إلى تفكك غاز ‪O2‬‏ إلى ذرتي أكسجين.

والآن، لنلخص ما تعلمناه في هذا الفيديو بمراجعة النقاط الأساسية. التفاعل الكيميائي الضوئي هو تفاعل كيميائي يبدأ بامتصاص الضوء. ستجد كلمة «ضوء» مكتوبة في أي تفاعل كيميائي ضوئي فوق سهم التفاعل في المعادلة الكيميائية. من الأمثلة الشائعة للتفاعلات الكيميائية الضوئية: عملية البناء الضوئي التي تستخدمها النباتات لكي تصنع طعامها، وأيضًا تكوين الأوزون وتدميره في الطبقة العليا للغلاف الجوي للأرض.