Фотографски процес како пример за фотохемиска реакција

Луѓето во денешно време се навикнати на моментално задоволство кога станува збор за правење фотографии. Тие гледаат во дигиталниот дисплеј, кликнуваат на копче и добиваат совршено фокусирана и осветлена слика што можат веднаш да ја видат. Новите технологии овозможуваат постојано на дофат да имаме дигитални фотоапарати со џебна големина кои се лесни и брзи за ракување, а дигиталните фотографии имаат голем квалитет, лесно се обработуваат, се пренесуваат и се споделуваат. Но, историјата на фотографијата има длабоки корени и врски со хемијата!

Во 1614 година, Анџело Сала забележал дека сончевата светлина ќе го направи  црн прашкастиот сребрен нитрат, а исто така и хартијата обвиткана околу сребрениот нитрат   ќе стане црна.

Првата фотографија, му се припишува (водоцните 1700-ти), на хемичарот Карл Шулце, кој експериментирал со сребро нитрат и неговата реакција на светлина и стабилизирачките ефекти на амонијакот врз оваа реакција.

Хемијата на фотографијата се заснова на фотосензитивноста и реакции со светлината. Хемиските процеси кои создаваат традиционална фотографија започнуваат внатре во камерата, со апсорпција на фотони. Сепак, фотохемијата сама по себе не е во состојба да произведе слика. Развојот се продолжува во темна соба преку хемиски реакции кои вклучуваат органски киселини и бази и разни хемиски принципи. Структурите на вклучените хемикалии се исклучително важни за реакциите што се случуваат, како и за киселоста или базноста на растворите.

Фотографскиот филм и хартија се составени од фотосензитивни зрна на сребрени халиди (халогениди). Овие зрна реагираат со светлината за да создадат латентна слика која е невидлива за окото.

Во темната соба, алкалниот или базниот раствор за развивање ги редуцира молекулите на сребрениот халид во атомско-метално сребро. Ова создава темни области кои ја сочинуваат видливата слика. Се користи кисела „стоп “бања за да се запре процесот на развивање и раствор за фиксирање за зачувување на сликата со растворање на преостанатите сребрени халиди кои сè уште можат да реагираат со светлина.

За да се развие слика што е снимена во камерата, филмот се пренесува во „темнакомора“. Во оваа просторија се додава растворот за развивање и се меша; ова е најдолгиот чекор за развивање на филмот. Растворот за фиксирање е следниот чекор и е најдолгиот чекор кога се развиваат отпечатоци. Сите преостанати хемикалии потоа се мијат со долго плакнење и филмот се суши. Истите чекори се користат во темната соба кога се прават отпечатоци од филмските негативи. Светлината се прикажува преку негативната слика и зголемени и проектирани на фотосензитивна хартија, превртувајќи ги светлите и темните делови од сликата. 

Фотографската хартија и филм се состојат од желатинска емулзија со зрна од сребро халид нанесени или на хартија или на филмска основа. Халидите кои често се користат се хлор, бром и јод, иако бромот е најчест. Зрната од сребро халид се кристални структури на сребрени јони и јони на халогениди во решеткаста структура, прикажани на слика еден. Иако зрната се држат заедно со хемиски врски и се многу стабилни, дозволено е одредено движење на атомите и електроните низ структурата.

Постојат различни енергетски нивоа во зрното: валентeн опсег и опсег на спроводливост. Електроните во валентниот опсег се локализирани околу атомот на кој припаѓаат. Оние во проводниот појас се слободни да се движат низ зрното. Кога фотоните од светлината ќе дојдат во контакт со зрно, електрон се исфрла од валентната лента на халидот во спроводната лента на кристалот. Овој електрон потоа ќе се комбинира со движечки сребрен јон формирајќи атомско сребро. Местото каде што се случува ова е центарот на латентна слика. Кога три или четири од овие настани се случуваат на иста локација, се создава агрегат или грутка од сребрен метал. Три или четири атоми се неопходни за центарот на латентна слика да биде стабилен. Секое зрно има илјадници сребрени јони, така што има илјадници шанси тоа да се случи.

 Латентната слика е невидлива за окото, но по понатамошниот развој, атомското сребро ќе создаде темни области поради својата боја. Латентниот центар служи како катализатор за развивање во темната соба. Формирањето на среброто е логаритамски пропорционално на интензитетот на светлината. Затоа места каде што повеќе светлина ја погодува емулзијатаќе има повеќе латентни центри за слика и ќе изгледа потемно на филмот. При креирањето на отпечатокот, светлината се прикажува преку негативот, така што областите кои првично биле темни потоа добиваат помалку светлина и изгледаат посветли.

Развивање на фотографијата

Типичниот развивач е составен од четири различни компоненти: средство за развој (развивач), забрзувач, ограничувач и конзерванс. Агенсот за развивање е средство за редуцирање; тоа значи дека ги редуцира сребрените халиди до метално сребро. Редуцирачките агенси во развивачот донираат електрони на зрната сребрен халид. Електроните влегуваат во проводната лента на соединението и редуцираат повеќе јонско сребро до атомско сребро. Ова се случува побрзо и поцелосно во зрната каде што фотоните веќе го започнале овој процес. На тој начин развојот хемиски се забрзува на местата на фотографијата кои се посветли и се избегнуваат на места кои добиваат мала или никаква светлосна стимулација. Редукцијата  секогаш се случува со оксидација; тие се спарени реакции. Како што редукциониот агенс донира електрони, тој губи електрони и се оксидира. Исто така, може да се оксидира со кислородот од воздухот и последователно да стане помалку ефикасен. Кога редукциониот агенс нема повеќе електрони за донација, процесот на развој не може да се случи. За да се забави овој процес, се додава конзерванс. Тоа е хемикалија која го штити средството за редукција  од оксидација.

Намената на забрзувачот е очигледна од името, како и сврзувачот. Рамнотежата помеѓу двете е важна за развивачот. Акцелераторот помага да се создаде хемиско опкружување поволно за редукционото средство. Базниот раствор го депротонира редукциониот агенс, ослободувајќи ги електроните што треба да се донираат. Така, забрзувачот е хемикалија што го прави растворот во развој побазен  или поалкален. Задржувачот има спротивен ефект; го спречува агенсот за развивање да ја развие сликата пребрзо. Ако ова се случи, ќе се развијат области кои не биле изложени на многу светлина, каде што веќе нема центар за латентна слика.

АГЕНС ЗА РАЗВОЈ (РАЗВИВАЊЕ)

Најважното соединение кај развивачот е агенсот за развој, органско соединение кое всушност ја прави видлива латентната слика. Повеќето средства за развој се хемиски деривати на  бензенот, како на пример хидрохинонот.

АКТИВАТОР

Кога агенсот за развој се раствора во вода, растворот има неутрална pH вредност. Сепак, средствата не работат добро во неутрален раствор - тие работат подобро во базен (алкален) раствор. Затоа на растворот се додава силна база. Оваа база се нарекува активатор бидејќи ги „турка“ агенсите во акција. Вообичаен активатор е натриум хидроксид, силна база со pH вредност од 14. Бидејќи има толку висок pH вредност, натриум хидроксидот го тера развивачот да работи многу брзо. Други активатори вклучуваат натриум карбонат и боракс. Овие други активатори имаат пониски pH вредности. Ова значи дека развивачот што содржи боракс ќе биде побавен развивач од оној што содржи натриум хидроксид.

КОНЗЕРВАТОР

Друга слабост на агенсите за развој е тоа што кога се изложени на кислород тие се распаѓаат на нивните елементи. Ова се нарекува оксидација и се препознава кога растворот- развивач станува кафеав. За да се спречи оксидацијата, во растворите за развој се додава конзерванс (обично натриум сулфит).

ОГРАНИЧУВАЧ

Трета слабост на агенсите за развој е тоа што тие не знаат кога да престанат. Кога ќе завршат со поцрнување на изложените сребрени кристали, тие почнуваат да ги напаѓаат неизложените сребрени кристали. Се разбира, овие кристали не можат да се развијат ако сликата треба правилно да се произведе. Кога ќе се развијат некои од неизложените кристали, јасните области повеќе нема да бидат јасни. Ова затемнување на јасните области се нарекува развојна магла или хемиска магла. За да се спречи развојната или хемиската магла, во растворот за развивање се додава ограничувач (најчесто калиум бромид).

СТОП БАЊА

Колку подолго емулзијата се чува во развивачот, толку е потемна добиената слика.
За да  направите  добра слика, се користи стоп бања. Стоп бањата мора да биде кисела бидејќи развивачите се базни. Неутрална средина (вода) исто така може да го запре развојот, но потребно е премногу долго и развојот може да продолжи во ова време. Повеќето стоп бањи содржат многу растворувач (вода) и малку киселина, обично оцетна киселина. Освен што го запира развојот на дејството, стоп бањата, исто така, помага да се спаси бањата за фиксирање со менување на pH вредноста на филмот од базна во кисела.

ФИКСИР

Откако ќе  ја ставите фотографската емулзија во стоп бањата, имате производ- видлива слика. Сепак, сликата нема да биде трајна  ако не користите друг раствор наречен фиксир.
Во текот на развојот, изложените кристали на сребро-халид во емулзијата се претвораат во црно метално сребро, но неизложените кристали не се менуваат. Овие кристали чувствителни на светлина, кога ќе бидат изложени на светлина, ќе почнат да се претвораат во црно метално сребро, а со тоа ќе ги затемнат јасните области на филмот додека филмот конечно не стане целосно црн. Фиксирот ги раствора неизложените кристали на сребрен халид, со што сликата ја прави трајна.

НАТРИУМ ТИОСУЛФАТ

Следната состојка е натриум тиосулфат (хипо-тривијално име), најважната состојка во растворот за фиксирање бидејќи ги раствора неизложените кристали на сребро-халид (натриум тиосулфатот е растворувач, бидејќи ги раствора кристалите на сребро-халид).

ОЦЕТНА КИСЕЛИНА

Иако растворот од вода и хипо ќе го раствори неизложенотокристали од сребро-халид, други хемикалии се додаваат во бањата зафиксирање. Првата од нив е оцетна киселина, истата хемикалија како онаа што се користи во стоп бањата. Нејзината цел е да го неутрализира секој развивач кој сè уште е оставен на филмот.

КОНЗЕРВАТОР

Изненадувачки е што истото хемиско соединение, натриум сулфит, обично се користи за зачувување на двата раствора.
Во фиксирачката бања, киселината додадена за да ги неутрализира преостанатите напади на хипо (натриум тиосулфат). Хипо потоа се распаѓа на ситни парчиња сулфур, наречен колоиден сулфур, кој е суспендиран во бањата за фиксирање. Колоидниот сулфур нема да ја заврши работата што ја прави хипото.

ЗАЦВРСТУВАЧ

Следната состојка во фиксаторот го штити желатинот во фотографската емулзија. Кога емулзијата се става во растворот за развој, желатинот „збувнува“ и станува мек. Ова е неопходно за развивачот да работи. Повеќето фиксирачки бањи содржат состојка за повторно да се стврдне желатинот од емулзијата. Вообичаен зацврстувач е  калиумова стипса. Ако емулзијата не се стврдне во бањата за прицврстување, може  да омекне уште повеќе за време на миењето. Зацврстувачот спречува прекумерно омекнување на емулзијата.

ПУФЕР

Зацврстувачот ја штити фотографската емулзија, но пуферот го штити зацврстувачот од зголемување на нивото на pH на бањата за фиксирање предизвикано од преостанатиот развивач што се прилепува за филмот кога ќе влезе во фиксаторот. Зацврстувачите најдобро функционираат кога рН на фиксирачката бања е 4. Пуферот, обично борна киселина, го одржува нивото на фиксирачката бања на 4, со што го штити зацврстувачот.

ПЕРЕЊЕ

Последната постапка за фотографска обработка е миењето. Овој раствор обично се состои само од растворувач - вода. Водата е единствената хемикалија која се користи во сите раствори за фотографска обработка. Во секој од нив се користи за иста цел: за растворање хемикалии. При перење, ги раствора и ги отстранува сите хемикалии што останале во фотографскиот материјал од претходните раствори за обработка.

Хемиските равенки на реакциите се:

2Na₂S₂O₃ + AgBr → NaBr + Na₃[Ag(S₂O₃)₂]

Натриум тиосулфат Натриум дитиосулфат аргентат

 Na₂S₂O₃ + 2H⁺ → S↓ + SO₂ + 2Na⁺ + H₂O

Колоиден сулфур