Rychlost reakce, její závislost na různých faktorech. Rychlost chemických reakcí Experimentální stanovení rychlosti chemické reakce

Mechanismy chemických přeměn a jejich rychlosti jsou studovány chemickou kinetikou. Chemické procesy probíhají v čase různými rychlostmi. K některým dochází rychle, téměř okamžitě, zatímco k jiným trvá velmi dlouho.

V kontaktu s

Rychlostní reakce- rychlost, jakou se reagencie spotřebovávají (jejich koncentrace klesá) nebo se tvoří reakční produkty na jednotku objemu.

Faktory, které mohou ovlivnit rychlost chemické reakce

Následující faktory mohou ovlivnit, jak rychle dojde k chemické interakci:

• koncentrace látek;
• povaha činidel;
• teplota;
• přítomnost katalyzátoru;
• tlak (pro reakce v plynném prostředí).

Změnou určitých podmínek pro průběh chemického procesu je tedy možné ovlivnit, jak rychle bude proces probíhat.

V procesu chemické interakce se částice reagujících látek navzájem srážejí. Počet takových shod je úměrný počtu částic látek v objemu reakční směsi, a tedy úměrný molárním koncentracím činidel.

Zákon působících mas popisuje závislost rychlosti reakce na molárních koncentracích reagujících látek.

Pro elementární reakci (A + B → ...) je tento zákon vyjádřen vzorcem:

υ \u003d k ∙С A ∙С B,

kde k je rychlostní konstanta; CA a CB jsou molární koncentrace reaktantů A a B.

Pokud je jedna z reagujících látek v pevném stavu, pak k interakci dochází na fázovém rozhraní, a proto není koncentrace pevné látky zahrnuta do rovnice kinetického zákona působících hmot. Abychom pochopili fyzikální význam rychlostní konstanty, je nutné vzít C, A a C B rovné 1. Pak je zřejmé, že rychlostní konstanta je rovna reakční rychlosti při koncentracích činidel rovných jednotce.

Povaha činidel

Protože chemické vazby reagujících látek jsou v procesu interakce zničeny a vznikají nové vazby reakčních produktů, bude hrát roli povaha vazeb účastnících se reakce sloučenin a struktura molekul reagujících látek. důležitá role.

Povrchová oblast kontaktu činidel

Taková charakteristika, jako je povrchová plocha kontaktu pevných činidel, někdy značně významně ovlivňuje průběh reakce. Mletí pevné látky vám umožňuje zvětšit plochu kontaktu činidel, a tím urychlit proces. Oblast kontaktu rozpuštěných látek se snadno zvětší rozpuštěním látky.

Reakční teplota

Se zvyšující se teplotou se bude energie srážejících se částic zvyšovat, je zřejmé, že s nárůstem teploty se urychluje i samotný chemický proces. Za jasný příklad toho, jak zvýšení teploty ovlivňuje proces interakce látek, lze považovat údaje uvedené v tabulce.

Tabulka 1. Vliv změny teploty na rychlost tvorby vody (О 2 +2Н 2 →2Н 2 О)

Pro kvantitativní popis toho, jak může teplota ovlivnit rychlost interakce látek, se používá van't Hoffovo pravidlo. Van't Hoffovo pravidlo říká, že když teplota stoupne o 10 stupňů, dojde ke zrychlení 2-4x.

Matematický vzorec popisující van't Hoffovo pravidlo je následující:

Kde γ je teplotní koeficient rychlosti chemické reakce (γ = 2−4).

Ale Arrheniova rovnice popisuje teplotní závislost rychlostní konstanty mnohem přesněji:

Kde R je univerzální plynová konstanta, A je faktor určený typem reakce, E, A je aktivační energie.

Aktivační energie je energie, kterou musí molekula získat, aby došlo k chemické přeměně. To znamená, že jde o jakousi energetickou bariéru, kterou bude nutné překonat molekulami, které se srazí v reakčním objemu, aby došlo k redistribuci vazeb.

Aktivační energie nezávisí na vnějších faktorech, ale závisí na povaze látky. Hodnota aktivační energie do 40 - 50 kJ/mol umožňuje látkám vzájemně poměrně aktivně reagovat. Pokud aktivační energie přesáhne 120 kJ/mol, pak budou látky (při běžných teplotách) reagovat velmi pomalu. Změna teploty vede ke změně počtu aktivních molekul, tedy molekul, které dosáhly energie větší, než je aktivační energie, a proto jsou schopné chemických přeměn.

Katalyzátorová akce

Katalyzátor je látka, která může urychlit proces, ale není součástí jeho produktů. Katalýzu (urychlení průběhu chemické přeměny) rozdělujeme na · homogenní, · heterogenní. Pokud jsou reaktanty a katalyzátor ve stejném stavu agregace, pak se katalýza nazývá homogenní, pokud v různých stavech, pak heterogenní. Mechanismy působení katalyzátorů jsou rozmanité a poměrně složité. Kromě toho je třeba poznamenat, že katalyzátory se vyznačují selektivitou působení. To znamená, že stejný katalyzátor urychlující jednu reakci nemusí žádným způsobem měnit rychlost jiné.

Tlak

Pokud se přeměny účastní plynné látky, pak bude rychlost procesu ovlivněna změnou tlaku v systému . To se děje, protožeže u plynných reaktantů vede změna tlaku ke změně koncentrace.

Experimentální stanovení rychlosti chemické reakce

Experimentálně je možné určit rychlost chemické přeměny získáním údajů o tom, jak se mění koncentrace reagujících látek nebo produktů za jednotku času. Metody získávání takových dat se dělí na

• chemikálie,
• fyzikální a chemické.

Chemické metody jsou poměrně jednoduché, cenově dostupné a přesné. S jejich pomocí se rychlost určuje přímým měřením koncentrace nebo množství látky reaktantů nebo produktů. V případě pomalé reakce se odebírají vzorky, aby se sledovalo, jak se reagencie spotřebovává. Poté se stanoví obsah činidla ve vzorku. Odběrem vzorků v pravidelných intervalech je možné získat údaje o změně množství látky při interakci. Nejčastěji používanými typy analýz jsou titrimetrie a gravimetrie.

Pokud reakce probíhá rychle, musí být pro odebrání vzorku zastavena. To lze provést ochlazením náhlé odstranění katalyzátoru je také možné naředit nebo převést jedno z činidel do nereaktivního stavu.

Metody fyzikálně-chemické analýzy v moderní experimentální kinetice se používají častěji než chemické. S jejich pomocí můžete v reálném čase pozorovat změnu koncentrací látek. Reakci není třeba zastavovat a odebírat vzorky.

Fyzikálně-chemické metody jsou založeny na měření fyzikální vlastnosti, která závisí na kvantitativním obsahu určité sloučeniny v systému a mění se v čase. Například, pokud jsou do reakce zapojeny plyny, pak takovou vlastností může být tlak. Měří se také elektrická vodivost, index lomu a absorpční spektra látek.

§ 12. KINETIKA ENZYMATIVNÍCH REAKCÍ

Kinetika enzymatických reakcí je věda o rychlostech enzymatických reakcí, jejich závislosti na různých faktorech. Rychlost enzymatické reakce je určena chemickým množstvím zreagovaného substrátu nebo výsledného reakčního produktu za jednotku času na jednotku objemu za určitých podmínek:

kde v je rychlost enzymatické reakce, je změna v koncentraci substrátu nebo reakčního produktu a t je čas.

Rychlost enzymatické reakce závisí na povaze enzymu, která určuje jeho aktivitu. Čím vyšší je aktivita enzymu, tím vyšší je rychlost reakce. Aktivita enzymu je určena rychlostí reakce katalyzované enzymem. Měřítkem aktivity enzymu je jedna standardní jednotka aktivity enzymu. Jedna standardní jednotka enzymové aktivity je množství enzymu, které katalyzuje konverzi 1 µmol substrátu za 1 minutu.

Během enzymatické reakce enzym (E) interaguje se substrátem (S), což vede k vytvoření komplexu enzym-substrát, který se pak rozkládá s uvolněním enzymu a produktu (P) reakce:

Rychlost enzymatické reakce závisí na mnoha faktorech: na koncentraci substrátu a enzymu, teplotě, pH média, přítomnosti různých regulačních látek, které mohou zvýšit nebo snížit aktivitu enzymů.

Zajímavé vědět! Enzymy se v medicíně používají k diagnostice různých onemocnění. Při infarktu myokardu v důsledku poškození a rozpadu srdečního svalu v krvi se prudce zvyšuje obsah enzymů aspartáttransaminázy a alaninaminotransferázy. Identifikace jejich aktivity umožňuje diagnostikovat toto onemocnění.

Vliv koncentrací substrátu a enzymu na rychlost enzymatické reakce

Zvažte vliv koncentrace substrátu na rychlost enzymatické reakce (obr. 30). Při nízkých koncentracích substrátu je rychlost přímo úměrná jeho koncentraci, pak se zvyšující se koncentrací roste rychlost reakce pomaleji a při velmi vysokých koncentracích substrátu je rychlost prakticky nezávislá na jeho koncentraci a dosahuje maximální hodnoty (Vmax) . Při takových koncentracích substrátu jsou všechny molekuly enzymu součástí komplexu enzym-substrát a je dosaženo plného nasycení aktivních center enzymu, proto je reakční rychlost v tomto případě prakticky nezávislá na koncentraci substrátu.

Rýže. 30. Závislost rychlosti enzymatické reakce na koncentraci substrátu

Graf závislosti aktivity enzymu na koncentraci substrátu je popsán Michaelis-Mentenovou rovnicí, která dostala své jméno na počest vynikajících vědců L.Michaelise a M.Mentena, kteří do studie významně přispěli kinetiky enzymatických reakcí,

kde v je rychlost enzymatické reakce; [S] je koncentrace substrátu; K M je Michaelisova konstanta.

Podívejme se na fyzikální význam Michaelisovy konstanty. Za předpokladu, že v = ½ V max , dostaneme K M = [S]. Michaelisova konstanta je tedy rovna koncentraci substrátu, při které je reakční rychlost poloviční maximální.

Rychlost enzymatické reakce závisí také na koncentraci enzymu (obr. 31). Tento vztah je lineární.

Rýže. 31. Závislost rychlosti enzymatické reakce na koncentraci enzymu

Vliv teploty na rychlost enzymatické reakce

Závislost rychlosti enzymatické reakce na teplotě je znázorněna na Obr. 32.

Rýže. 32. Závislost rychlosti enzymatické reakce na teplotě.

Při nízkých teplotách (cca do 40 - 50 °C) je zvýšení teploty o každých 10 °C v souladu s van't Hoffovým pravidlem doprovázeno zvýšením rychlosti chemické reakce o 2-4 časy. Při vysokých teplotách nad 55 - 60 ° C se aktivita enzymu prudce snižuje v důsledku jeho tepelné denaturace a v důsledku toho je pozorován prudký pokles rychlosti enzymatické reakce. Maximální aktivita enzymů bývá pozorována v rozmezí 40 - 60 o C. Teplota, při které je aktivita enzymu maximální, se nazývá teplotní optimum. Teplotní optimum enzymů termofilních mikroorganismů je v oblasti vyšších teplot.

Vliv pH na rychlost enzymatické reakce

Graf závislosti enzymatické aktivity na pH je na Obr. 33.

Rýže. 33. Vliv pH na rychlost enzymatické reakce

Graf závislosti na pH má tvar zvonu. Hodnota pH, při které je aktivita enzymu maximální, se nazývá pH optimální enzym. Optimální hodnoty pH pro různé enzymy se velmi liší.

Povaha závislosti enzymatické reakce na pH je dána skutečností, že tento indikátor ovlivňuje:

a) ionizace aminokyselinových zbytků účastnících se katalýzy,

b) ionizace substrátu,

c) konformace enzymu a jeho aktivního místa.

Inhibice enzymů

Rychlost enzymatické reakce lze snížit působením řady chemických látek tzv inhibitory. Některé inhibitory jsou pro člověka jedovaté, např. kyanidy, jiné se používají jako drogy.

Inhibitory lze rozdělit do dvou hlavních typů: nevratné a reverzibilní. Ireverzibilní inhibitory (I) se váží na enzym za vzniku komplexu, jehož disociace je nemožná s obnovením enzymové aktivity:

Příkladem ireverzibilního inhibitoru je diisopropylfluorfosfát (DFF). DPP inhibuje enzym acetylcholinesterázu, který hraje důležitou roli v přenosu nervových vzruchů. Tento inhibitor interaguje se serinem aktivního místa enzymu, čímž blokuje jeho aktivitu. V důsledku toho je narušena schopnost procesů nervových buněk neuronů vést nervový impuls. DFF je jedním z prvních nervových látek. Na jeho základě vznikla řada relativně netoxických pro lidi i zvířata. insekticidy - látky jedovaté pro hmyz.

Reverzibilní inhibitory, na rozdíl od nevratných, lze za určitých podmínek z enzymu snadno oddělit. Činnost posledně jmenovaného je obnovena:

Mezi reverzibilní inhibitory patří konkurenční a nesoutěžní inhibitory.

Kompetitivní inhibitor, který je strukturním analogem substrátu, interaguje s aktivním místem enzymu a blokuje tak přístup substrátu k enzymu. V tomto případě inhibitor neprochází chemickými přeměnami a váže se na enzym reverzibilně. Po disociaci EI komplexu se enzym může vázat buď na substrát a transformovat jej, nebo na inhibitor (obr. 34.). Protože substrát i inhibitor soutěží o místo v aktivním místě, nazývá se tato inhibice kompetitivní.

Rýže. 34. Mechanismus účinku kompetitivního inhibitoru.

Konkurenční inhibitory se používají v medicíně. Sulfanilamidové přípravky byly dříve široce používány v boji proti infekčním chorobám. Konstrukčně jsou blízko kyselina para-aminobenzoová(PABA), nezbytný růstový faktor pro mnoho patogenních bakterií. PABA je prekurzorem kyseliny listové, která slouží jako kofaktor pro řadu enzymů. Sulfanilamidové přípravky působí jako kompetitivní inhibitor enzymů pro syntézu kyseliny listové z PABA a tím inhibují růst a reprodukci patogenních bakterií.

Nekompetitivní inhibitory nejsou strukturně podobné substrátu a během tvorby EI neinteragují s aktivním místem, ale s jiným místem enzymu. Interakce inhibitoru s enzymem vede ke změně struktury enzymu. Tvorba komplexu EI je reverzibilní, proto je enzym po jeho rozpadu opět schopen napadnout substrát (obr. 35).

Rýže. 35. Mechanismus účinku nekompetitivního inhibitoru

CN - kyanid může působit jako nekompetitivní inhibitor. Váže se na kovové ionty, které jsou součástí protetických skupin, a inhibuje aktivitu těchto enzymů. Otrava kyanidem je extrémně nebezpečná. Mohou být smrtelné.

Alosterické enzymy

Termín "alosterický" pochází z řeckých slov allo - další, stereo - oblast. Alosterické enzymy tedy spolu s aktivním místem mají další centrum tzv alosterické centrum(obr. 36). Na alosterické centrum se vážou látky schopné měnit aktivitu enzymů, tyto látky se nazývají alosterické efektory. Efektory jsou pozitivní – aktivující enzym, a negativní – inhibiční, tzn. snížení aktivity enzymů. Některé alosterické enzymy mohou být ovlivněny dvěma nebo více efektory.

Rýže. 36. Struktura alosterického enzymu.

Regulace multienzymových systémů

Některé enzymy působí ve shodě, spojují se do multienzymových systémů, ve kterých každý enzym katalyzuje určitou fázi metabolické dráhy:

V multienzymovém systému existuje enzym, který určuje rychlost celé reakční sekvence. Tento enzym je zpravidla alosterický a nachází se na začátku matabolické dráhy. Je schopen přijímat různé signály, jak zvýšit, tak snížit rychlost katalyzované reakce, a tím regulovat rychlost celého procesu.

Rychlost chemické reakce závisí na mnoha faktorech, včetně povahy reaktantů, koncentrace reaktantů, teploty a přítomnosti katalyzátorů. Zvažme tyto faktory.

1). Povaha reaktantů. Pokud dojde k interakci mezi látkami s iontovou vazbou, pak reakce probíhá rychleji než mezi látkami s kovalentní vazbou.

2.) Koncentrace reaktantu. Aby došlo k chemické reakci, musí se molekuly reaktantů srazit. To znamená, že molekuly se musí přiblížit k sobě tak blízko, že atomy jedné částice zažijí působení elektrických polí druhé. Pouze v tomto případě budou možné přechody elektronů a odpovídající přestavby atomů, v jejichž důsledku vznikají molekuly nových látek. Rychlost chemických reakcí je tedy úměrná počtu srážek, ke kterým dochází mezi molekulami, a počet srážek je zase úměrný koncentraci reaktantů. Na základě experimentálního materiálu norští vědci Guldberg a Waage a nezávisle na nich ruský vědec Beketov v roce 1867 formulovali základní zákon chemické kinetiky - zákon hromadné akce(ZDM): při konstantní teplotě je rychlost chemické reakce přímo úměrná součinu koncentrací reaktantů k síle jejich stechiometrických koeficientů. Pro obecný případ:

zákon hromadné akce má tvar:

Nazývá se zákon hromadné akce pro danou reakci hlavní kinetická rovnice reakce. V základní kinetické rovnici je k rychlostní konstanta reakce, která závisí na povaze reaktantů a teplotě.

Většina chemických reakcí je reverzibilní. V průběhu takových reakcí jejich produkty, jak se hromadí, reagují navzájem za vzniku výchozích látek:

Rychlost dopředné reakce:

Míra zpětné vazby:

V době rovnováhy:

Odtud bude mít zákon působících mas ve stavu rovnováhy podobu:

kde K je rovnovážná konstanta reakce.

3) Vliv teploty na rychlost reakce. Rychlost chemických reakcí se zpravidla zvyšuje při překročení teploty. Uvažujme to na příkladu interakce vodíku s kyslíkem.

2H2 + O2 \u003d 2H20

Při 20 0 C je rychlost reakce téměř nulová a trvalo by 54 miliard let, než by interakce prošla o 15 %. Při 500 °C trvá tvorba vody 50 minut a při 700 °C reakce probíhá okamžitě.

Je vyjádřena závislost rychlosti reakce na teplotě van't Hoffovo pravidlo: se zvýšením teploty o 10 °C se reakční rychlost zvýší 2-4krát. Van't Hoffovo pravidlo je napsáno:

4) Vliv katalyzátorů. Rychlost chemických reakcí lze řídit pomocí katalyzátory- látky, které mění rychlost reakce a zůstávají po reakci nezměněny. Změna rychlosti reakce v přítomnosti katalyzátoru se nazývá katalýza. Rozlišovat pozitivní(rychlost reakce se zvyšuje) a negativní(reakční rychlost klesá) katalýza. Někdy se katalyzátor tvoří během reakce, takové procesy se nazývají autokatalytické. Rozlišujte mezi homogenní a heterogenní katalýzou.

V homogenní Při katalýze jsou katalyzátor a reaktanty ve stejné fázi. Například:

V heterogenní Při katalýze jsou katalyzátor a reaktanty v různých fázích. Například:

Heterogenní katalýza je spojena s enzymatickými procesy. Všechny chemické procesy probíhající v živých organismech jsou katalyzovány enzymy, což jsou proteiny s určitými specializovanými funkcemi. V roztocích, ve kterých probíhají enzymatické procesy, neexistuje žádné typické heterogenní médium, kvůli absenci jasně definovaného fázového rozhraní. Takové procesy se označují jako mikroheterogenní katalýza.

Otázka 1. Jaké látky se nazývají katalyzátory?

Látky, které mění rychlost chemické reakce a na jejím konci zůstávají nezměněny, se nazývají katalyzátory.

Otázka 2. Jakou roli hrají enzymy v buňce?

Enzymy jsou biologické katalyzátory, které urychlují chemické reakce v živé buňce. Molekuly některých enzymů se skládají pouze z bílkovin, jiné zahrnují bílkovinné a nebílkovinné sloučeniny (organické - koenzymové nebo anorganické - ionty různých kovů). Enzymy jsou přísně specifické: každý enzym katalyzuje určitý typ reakcí, kterých se účastní určité typy molekul substrátu.

Otázka 3. Na jakých faktorech může záviset rychlost enzymatických reakcí?

Rychlost enzymatických reakcí do značné míry závisí na koncentraci enzymu, povaze látky, teplotě, tlaku a reakci média (kyselého nebo zásaditého).

U mnoha enzymů se za určitých podmínek, například za přítomnosti molekul určitých látek, změní konfigurace aktivního centra, což jim umožňuje poskytovat největší enzymatickou aktivitu.

Otázka 4. Proč většina enzymů ztrácí své katalytické vlastnosti při vysokých teplotách?

Vysoká teplota prostředí zpravidla způsobuje denaturaci bílkovin, tedy narušení jejich přirozené struktury. Proto při vysokých teplotách většina enzymů ztrácí své katalytické vlastnosti.

Otázka 5. Proč může nedostatek vitamínů způsobit poruchy životně důležitých procesů v těle?

Mnoho vitamínů je součástí enzymů. Nedostatek vitamínů v těle proto vede k oslabení aktivity enzymů v buňkách, a proto může způsobit poruchy životně důležitých procesů.

1.8. Biologické katalyzátory

Tato stránka hledala:

• jakou roli hrají enzymy v buňce
• jaké látky se nazývají katalyzátory
• proč většina enzymů při vysoké teplotě
• Jaké faktory ovlivňují rychlost enzymatických reakcí?
• Proč většina enzymů ztrácí své vlastnosti při vysokých teplotách?

Témata kodifikátoru USE:Rychlostní reakce. Jeho závislost na různých faktorech.

Rychlost chemické reakce udává, jak rychle reakce probíhá. K interakci dochází, když se částice srazí ve vesmíru. V tomto případě k reakci nedochází při každé srážce, ale pouze tehdy, když mají částice odpovídající energii.

Rychlostní reakce je počet elementárních srážek interagujících částic, které končí chemickou přeměnou, za jednotku času.

Stanovení rychlosti chemické reakce je spojeno s podmínkami pro její provedení. Pokud reakce homogenní- tj. produkty a reaktanty jsou ve stejné fázi - pak je rychlost chemické reakce definována jako změna látky za jednotku času:

υ = ∆C / ∆t.

Pokud jsou reaktanty nebo produkty v různých fázích a ke srážce částic dochází pouze na rozhraní, pak se reakce nazývá heterogenní a jeho rychlost je určena změnou množství látky za jednotku času na jednotku reakční plochy:

υ = Δν / (S At).

Jak docílit toho, aby se částice srážely častěji, tzn. jak zvýšit rychlost chemické reakce?

1. Nejjednodušší způsob je zvýšit teplota . Jak jste museli vědět ze svého kurzu fyziky, teplota je mírou průměrné kinetické energie pohybu částic hmoty. Pokud zvýšíme teplotu, pak se částice jakékoli látky začnou pohybovat rychleji, a proto se častěji srážejí.

S rostoucí teplotou se však rychlost chemických reakcí zvyšuje především díky tomu, že se zvyšuje počet efektivních srážek. Se stoupající teplotou prudce roste počet aktivních částic, které mohou překonat energetickou bariéru reakce. Pokud snížíme teplotu, částice se začnou pohybovat pomaleji, počet aktivních částic se sníží a počet efektivních srážek za sekundu se sníží. Takto, Když teplota stoupá, rychlost chemické reakce se zvyšuje, a když teplota klesá, klesá..

Poznámka! Toto pravidlo funguje stejně pro všechny chemické reakce (včetně exotermických a endotermických). Rychlost reakce nezávisí na tepelném účinku. Rychlost exotermických reakcí se zvyšuje s rostoucí teplotou a klesá s klesající teplotou. Rychlost endotermických reakcí se také zvyšuje s rostoucí teplotou a snižuje se s klesající teplotou.

Navíc již v 19. století holandský fyzik van't Hoff experimentálně zjistil, že většina reakcí se zvyšuje přibližně stejnou rychlostí (asi 2-4krát) se zvýšením teploty o 10 °C. Van't Hoffovo pravidlo zní takto: zvýšení teploty o 10 °C vede ke zvýšení rychlosti chemické reakce 2-4krát (tato hodnota se nazývá teplotní koeficient rychlosti chemické reakce γ). Pro každou reakci je stanovena přesná hodnota teplotního koeficientu.

zde v je rychlost chemické reakce,

C A a C B — koncentrace látek A a B, mol/l

k je koeficient úměrnosti, rychlostní konstanta reakce.

Například pro reakci tvorby amoniaku:

N2 + 3H2↔2NH3

Zákon hromadné akce vypadá takto:

- Jsou to chemické látky, které se účastní chemické reakce, mění její rychlost a směr, ale není postradatelný během reakce (na konci reakce se nemění ani v množství, ani ve složení). Přibližný mechanismus fungování katalyzátoru pro reakci typu A + B lze znázornit následovně:

A+K=AK

AK + B = AB + K

Proces změny rychlosti reakce při interakci s katalyzátorem se nazývá katalýza. Katalyzátory jsou široce používány v průmyslu, když je potřeba zvýšit rychlost reakce nebo ji nasměrovat po určité dráze.

Podle fázového stavu katalyzátoru se rozlišuje homogenní a heterogenní katalýza.

homogenní katalýza - to je, když jsou reaktanty a katalyzátor ve stejné fázi (plyn, roztok). Typickými homogenními katalyzátory jsou kyseliny a zásady. organické aminy atd.

heterogenní katalýza - to je, když jsou reaktanty a katalyzátor v různých fázích. Heterogenní katalyzátory jsou zpravidla pevné látky. Protože interakce u takových katalyzátorů probíhá pouze na povrchu látky, důležitým požadavkem na katalyzátory je velký povrch. Heterogenní katalyzátory se vyznačují vysokou porézností, která zvyšuje povrch katalyzátoru. Celková plocha některých katalyzátorů tedy někdy dosahuje 500 metrů čtverečních na 1 g katalyzátoru. Velká plocha a poréznost zajišťují účinnou interakci s činidly. Mezi heterogenní katalyzátory patří kovy, zeolity - krystalické minerály aluminosilikátové skupiny (sloučeniny křemíku a hliníku) a další.

Příklad heterogenní katalýza - syntéza amoniaku:

N2 + 3H2↔2NH3

Jako katalyzátor se používá porézní železo s nečistotami Al 2 O 3 a K 2 O.

Samotný katalyzátor se při chemické reakci nespotřebovává, ale na povrchu katalyzátoru se hromadí další látky, které vážou aktivní centra katalyzátoru a blokují jeho činnost ( katalytické jedy). Musí se pravidelně odstraňovat regenerací katalyzátoru.

Katalyzátory jsou velmi účinné v biochemických reakcích. enzymy. Enzymatické katalyzátory působí vysoce účinně a selektivně, se selektivitou 100 %. Enzymy jsou bohužel velmi citlivé na zvýšení teploty, střední kyselost a další faktory, a proto existuje řada omezení pro implementaci procesů s enzymatickou katalýzou v průmyslovém měřítku.

Katalyzátory by neměly být zaměňovány s iniciátory proces a inhibitory. Například k zahájení radikální reakce chlorace methanu je nutné ultrafialové ozáření. Není to katalyzátor. Některé radikálové reakce jsou iniciovány peroxidovými radikály. Nejsou také katalyzátory.

Inhibitory jsou látky, které zpomalují chemickou reakci. Inhibitory mohou být spotřebovány a účastní se chemické reakce. V tomto případě inhibitory nejsou katalyzátory, naopak. Reverzní katalýza je v zásadě nemožná - reakce se v každém případě pokusí sledovat nejrychlejší cestu.

5. Oblast kontaktu reaktantů. U heterogenních reakcí je jedním ze způsobů, jak zvýšit počet efektivních srážek, zvýšení reakční povrch . Čím větší je kontaktní plocha reakčních fází, tím větší je rychlost heterogenní chemické reakce. Práškový zinek se v kyselině rozpouští mnohem rychleji než granulovaný zinek stejné hmotnosti.

V průmyslu se používají ke zvětšení plochy kontaktního povrchu reaktantů metoda fluidního lože. Například, při výrobě kyseliny sírové metodou varné vrstvy se praží pyrit.

6. Povaha reaktantů . Rychlost chemických reakcí, za jinak stejných okolností, je také ovlivněna chemickými vlastnostmi, tzn. povaha reaktantů. Méně účinných látek bude mít vyšší aktivační bariéru a bude reagovat pomaleji než více účinných látek. Aktivnější látky mají nižší aktivační energii a mnohem snadněji a pravděpodobněji vstupují do chemických reakcí.

Při nízkých aktivačních energiích (méně než 40 kJ/mol) probíhá reakce velmi rychle a snadno. Značná část srážek mezi částicemi končí chemickou přeměnou. Například iontoměničové reakce probíhají za normálních podmínek velmi rychle.

Při vysokých aktivačních energiích (více než 120 kJ/mol) končí chemickou přeměnou jen malý počet srážek. Rychlost takových reakcí je zanedbatelná. Například dusík za normálních podmínek prakticky neinteraguje s kyslíkem.

Při středních aktivačních energiích (od 40 do 120 kJ/mol) bude reakční rychlost průměrná. Takové reakce probíhají i za normálních podmínek, ale ne příliš rychle, takže je lze pozorovat pouhým okem. Tyto reakce zahrnují interakci sodíku s vodou, interakci železa s kyselinou chlorovodíkovou atd.

Látky, které jsou za normálních podmínek stabilní, mívají vysoké aktivační energie.