Ռեակցիայի արագությունը, դրա կախվածությունը տարբեր գործոններից: Քիմիական ռեակցիաների արագությունը Քիմիական ռեակցիայի արագության փորձարարական որոշում

Քիմիական փոխակերպումների մեխանիզմները և դրանց արագությունները ուսումնասիրվում են քիմիական կինետիկայով։ Քիմիական պրոցեսները ժամանակի ընթացքում ընթանում են տարբեր տեմպերով։ Ոմանք տեղի են ունենում արագ, գրեթե ակնթարթորեն, իսկ մյուսները շատ երկար ժամանակ են պահանջում:

հետ շփման մեջ

Արագ արձագանք- ռեակտիվների սպառման արագությունը (դրանց կոնցենտրացիան նվազում է) կամ ռեակցիայի արտադրանքները ձևավորվում են մեկ միավորի ծավալով:

Գործոններ, որոնք կարող են ազդել քիմիական ռեակցիայի արագության վրա

Հետևյալ գործոնները կարող են ազդել քիմիական փոխազդեցության արագության վրա.

• նյութերի կոնցենտրացիան;
• ռեակտիվների բնույթը;
• ջերմաստիճանը;
• կատալիզատորի առկայությունը;
• ճնշում (գազային միջավայրում ռեակցիաների համար):

Այսպիսով, փոխելով որոշակի պայմաններ քիմիական գործընթացի ընթացքի համար, հնարավոր է ազդել, թե որքան արագ կշարունակվի գործընթացը:

Քիմիական փոխազդեցության գործընթացում արձագանքող նյութերի մասնիկները բախվում են միմյանց։ Նման համընկնումների թիվը համաչափ է արձագանքող խառնուրդի ծավալում գտնվող նյութերի մասնիկների քանակին և, հետևաբար, հարաբերական է ռեակտիվների մոլային կոնցենտրացիաներին:

Գործող զանգվածների օրենքընկարագրում է ռեակցիայի արագության կախվածությունը արձագանքող նյութերի մոլային կոնցենտրացիաներից։

Տարրական ռեակցիայի համար (A + B → ...) այս օրենքը արտահայտվում է բանաձևով.

υ \u003d k ∙С A ∙С B,

որտեղ k-ն արագության հաստատուն է. C A և C B-ն ռեակտիվների մոլային կոնցենտրացիաներն են՝ A և B:

Եթե ​​արձագանքող նյութերից մեկը գտնվում է պինդ վիճակում, ապա փոխազդեցությունը տեղի է ունենում միջերեսի վրա, և, հետևաբար, պինդ նյութի կոնցենտրացիան ներառված չէ գործող զանգվածների կինետիկ օրենքի հավասարման մեջ։ Արագության հաստատունի ֆիզիկական իմաստը հասկանալու համար անհրաժեշտ է վերցնել C, A և C B-ը հավասար 1-ի: Այնուհետև պարզ է դառնում, որ արագության հաստատունը հավասար է ռեակցիայի արագությանը ռեագենտի կոնցենտրացիաներում, որոնք հավասար են միավորի:

Ռեակտիվների բնույթը

Քանի որ փոխազդող նյութերի քիմիական կապերը ոչնչացվում են փոխազդեցության ընթացքում և ձևավորվում են ռեակցիայի արտադրանքի նոր կապեր, միացությունների ռեակցիային մասնակցող կապերի բնույթը և արձագանքող նյութերի մոլեկուլների կառուցվածքը կխաղան. կարևոր դեր.

Ռեակտիվների շփման մակերեսը

Նման բնութագիրը, ինչպիսին է պինդ ռեակտիվների շփման մակերեսը, երբեմն բավականին էականորեն ազդում է ռեակցիայի ընթացքի վրա: Կոշտ նյութը մանրացնելը թույլ է տալիս մեծացնել ռեագենտների շփման մակերեսը և, հետևաբար, արագացնել գործընթացը: Լուծված նյութերի շփման տարածքը հեշտությամբ մեծանում է նյութի լուծարմամբ:

Ռեակցիայի ջերմաստիճանը

Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ բախվող մասնիկների էներգիան կավելանա, ակնհայտ է, որ ջերմաստիճանի բարձրացման դեպքում քիմիական պրոցեսն ինքնին կարագանա։ Հստակ օրինակ, թե ինչպես է ջերմաստիճանի բարձրացումը ազդում նյութերի փոխազդեցության գործընթացի վրա, կարելի է համարել աղյուսակում տրված տվյալները։

Աղյուսակ 1. Ջերմաստիճանի փոփոխության ազդեցությունը ջրի առաջացման արագության վրա (О 2 +2Н 2 →2Н 2 О)

Քանակական նկարագրության համար, թե ինչպես է ջերմաստիճանը կարող ազդել նյութերի փոխազդեցության արագության վրա, օգտագործվում է Van't Hoff կանոնը: Վանտ Հոֆի կանոնն այն է, որ երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է 10 աստիճանով, տեղի է ունենում 2-4 անգամ արագացում։

Վան Հոֆի կանոնը նկարագրող մաթեմատիկական բանաձևը հետևյալն է.

Որտեղ γ-ը քիմիական ռեակցիայի արագության ջերմաստիճանի գործակիցն է (γ = 2−4):

Բայց Արենիուսի հավասարումը շատ ավելի ճշգրիտ է նկարագրում արագության հաստատունի ջերմաստիճանի կախվածությունը.

Այնտեղ, որտեղ R-ը գազի համընդհանուր հաստատունն է, A-ն գործոն է, որը որոշվում է ռեակցիայի տեսակով, E, A-ն ակտիվացման էներգիան է:

Ակտիվացման էներգիան այն էներգիան է, որը մոլեկուլը պետք է ձեռք բերի, որպեսզի տեղի ունենա քիմիական փոխակերպում: Այսինքն՝ դա մի տեսակ էներգետիկ արգելք է, որը պետք է հաղթահարվի ռեակցիայի ծավալում բախվող մոլեկուլների միջոցով՝ կապերը վերաբաշխելու համար։

Ակտիվացման էներգիան կախված չէ արտաքին գործոններից, այլ կախված է նյութի բնույթից։ Ակտիվացման էներգիայի արժեքը մինչև 40 - 50 կՋ / մոլ թույլ է տալիս նյութերին բավականին ակտիվորեն արձագանքել միմյանց հետ: Եթե ​​ակտիվացման էներգիան գերազանցում է 120 կՋ/մոլը, ապա նյութերը (սովորական ջերմաստիճաններում) շատ դանդաղ կարձագանքեն։ Ջերմաստիճանի փոփոխությունը հանգեցնում է ակտիվ մոլեկուլների քանակի փոփոխության, այսինքն՝ մոլեկուլների, որոնք հասել են ակտիվացման էներգիայից ավելի էներգիա, և, հետևաբար, ունակ են քիմիական փոխակերպումների։

Կատալիզատորի գործողություն

Կատալիզատորը նյութ է, որը կարող է արագացնել գործընթացը, բայց դրա արտադրանքի մաս չէ: Կատալիզը (քիմիական փոխակերպման ընթացքի արագացում) բաժանվում է · միատարր, · տարասեռ: Եթե ​​ռեակտիվները և կատալիզատորը գտնվում են ագրեգացման միևնույն վիճակում, ապա կատալիզը կոչվում է միատարր, եթե տարբեր վիճակներում է, ապա տարասեռ։ Կատալիզատորների գործողության մեխանիզմները բազմազան են և բավականին բարդ։ Բացի այդ, պետք է նշել, որ կատալիզատորները բնութագրվում են գործողության ընտրողականությամբ: Այսինքն՝ նույն կատալիզատորը, արագացնելով մի ռեակցիան, կարող է որևէ կերպ չփոխել մյուսի արագությունը։

Ճնշում

Եթե ​​փոխակերպման մեջ ներգրավված են գազային նյութեր, ապա գործընթացի արագության վրա կազդի համակարգում ճնշման փոփոխությունը: . Սա տեղի է ունենում, քանի որոր գազային ռեակտիվների դեպքում ճնշման փոփոխությունը հանգեցնում է կոնցենտրացիայի փոփոխության։

Քիմիական ռեակցիայի արագության փորձարարական որոշում

Փորձարարական եղանակով հնարավոր է որոշել քիմիական փոխակերպման արագությունը՝ ստանալով տվյալներ, թե ինչպես է փոխվում արձագանքող նյութերի կամ արտադրանքի կոնցենտրացիան մեկ միավոր ժամանակում։ Նման տվյալների ստացման մեթոդները բաժանված են

• քիմիական,
• ֆիզիկական և քիմիական.

Քիմիական մեթոդները բավականին պարզ են, մատչելի և ճշգրիտ։ Նրանց օգնությամբ արագությունը որոշվում է՝ ուղղակիորեն չափելով ռեակտիվների կամ արտադրանքի նյութի կոնցենտրացիան կամ քանակությունը։ Դանդաղ ռեակցիայի դեպքում նմուշներ են վերցվում՝ վերահսկելու, թե ինչպես է ռեագենտը սպառվում: Դրանից հետո որոշվում է ռեագենտի պարունակությունը նմուշում։ Կանոնավոր պարբերականությամբ նմուշառումներով հնարավոր է տվյալներ ստանալ փոխազդեցության ընթացքում նյութի քանակի փոփոխության վերաբերյալ։ Վերլուծության ամենատարածված տեսակներն են տիտրաչափությունը և ծանրաչափությունը:

Եթե ​​ռեակցիան արագ է ընթանում, ապա նմուշ վերցնելու համար այն պետք է դադարեցվի։ Դա կարելի է անել սառեցման միջոցով կատալիզատորի կտրուկ հեռացում, հնարավոր է նաև նոսրացնել կամ տեղափոխել ռեակտիվներից մեկը ոչ ռեակտիվ վիճակի։

Ժամանակակից փորձարարական կինետիկայի ֆիզիկաքիմիական անալիզի մեթոդներն ավելի հաճախ են կիրառվում, քան քիմիականները։ Նրանց օգնությամբ դուք կարող եք իրական ժամանակում դիտարկել նյութերի կոնցենտրացիաների փոփոխությունը։ Կարիք չկա դադարեցնել ռեակցիան և վերցնել նմուշներ։

Ֆիզիկաքիմիական մեթոդները հիմնված են ֆիզիկական հատկության չափման վրա, որը կախված է համակարգում որոշակի միացության քանակական պարունակությունից և փոփոխվում է ժամանակի հետ։ Օրինակ, եթե ռեակցիայի մեջ ներգրավված են գազեր, ապա ճնշումը կարող է լինել այդպիսի հատկություն։ Չափվում են նաև նյութերի էլեկտրական հաղորդունակությունը, բեկման ինդեքսը և կլանման սպեկտրը։

§ 12. ԷՆԶԻՄԱՏԻՎ ՌԵԱԿՑԻՆԵՐԻ ԿԻՆԵՏԻԿԱ

Ֆերմենտային ռեակցիաների կինետիկան գիտություն է ֆերմենտային ռեակցիաների արագության, տարբեր գործոններից դրանց կախվածության մասին։ Ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը որոշվում է արձագանքվող սուբստրատի կամ ստացված ռեակցիայի արտադրանքի քիմիական քանակով մեկ միավորի ժամանակի մեկ միավորի ծավալով որոշակի պայմաններում.

որտեղ v-ը ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունն է, սուբստրատի կամ ռեակցիայի արտադրանքի կոնցենտրացիայի փոփոխությունն է, իսկ t-ը ժամանակն է:

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը կախված է ֆերմենտի բնույթից, որը որոշում է նրա գործունեությունը։ Որքան բարձր է ֆերմենտի ակտիվությունը, այնքան բարձր է ռեակցիայի արագությունը: Ֆերմենտի ակտիվությունը որոշվում է ֆերմենտի կողմից կատալիզացված ռեակցիայի արագությամբ: Ֆերմենտի ակտիվության չափումը ֆերմենտային ակտիվության մեկ ստանդարտ միավոր է: Ֆերմենտի ակտիվության ստանդարտ միավորը ֆերմենտի քանակն է, որը կատալիզացնում է 1 մկմոլ սուբստրատի փոխակերպումը 1 րոպեում:

Ֆերմենտային ռեակցիայի ընթացքում ֆերմենտը (E) փոխազդում է սուբստրատի (S) հետ, որի արդյունքում ձևավորվում է ֆերմենտ-սուբստրատ համալիր, որն այնուհետև քայքայվում է ֆերմենտի և ռեակցիայի արտադրանքի (P) արտազատմամբ.

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը կախված է բազմաթիվ գործոններից՝ սուբստրատի և ֆերմենտի կոնցենտրացիան, ջերմաստիճանը, միջավայրի pH-ը, տարբեր կարգավորող նյութերի առկայությունը, որոնք կարող են մեծացնել կամ նվազեցնել ֆերմենտների ակտիվությունը:

Հետաքրքիր է իմանալ: Բժշկության մեջ ֆերմենտներն օգտագործվում են տարբեր հիվանդությունների ախտորոշման համար։ Սրտամկանի ինֆարկտի ժամանակ սրտի մկանների վնասման և քայքայման հետևանքով արյան մեջ կտրուկ ավելանում է ասպարտատ տրանսամինազ և ալանին ամինատրանսֆերազ ֆերմենտների պարունակությունը։ Նրանց գործունեության նույնականացումը թույլ է տալիս ախտորոշել այս հիվանդությունը:

Սուբստրատի և ֆերմենտների կոնցենտրացիաների ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա

Դիտարկենք սուբստրատի կոնցենտրացիայի ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա (նկ. 30.): Ենթաշերտի ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում արագությունը ուղիղ համեմատական ​​է դրա կոնցենտրացիային, այնուհետև, կոնցենտրացիայի աճով, ռեակցիայի արագությունը աճում է ավելի դանդաղ, իսկ շատ բարձր կոնցենտրացիաների դեպքում արագությունը գործնականում անկախ է դրա կոնցենտրացիայից և հասնում է իր առավելագույն արժեքին (Vmax): . Սուբստրատի նման կոնցենտրացիաների դեպքում բոլոր ֆերմենտային մոլեկուլները ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի մաս են կազմում, և ձեռք է բերվում ֆերմենտի ակտիվ վայրերի ամբողջական հագեցվածություն, ինչի պատճառով ռեակցիայի արագությունն այս դեպքում գործնականում անկախ է սուբստրատի կոնցենտրացիայից:

Բրինձ. 30. Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից

Սուբստրատի կոնցենտրացիայից ֆերմենտային ակտիվության կախվածության գրաֆիկը նկարագրված է Միքայելիս-Մենտենի հավասարմամբ, որն իր անունը ստացել է ի պատիվ ականավոր գիտնականներ Լ.Մայքելիսի և Մ.Մենտենի, ովքեր մեծ ներդրում են ունեցել հետազոտության մեջ։ ֆերմենտային ռեակցիաների կինետիկա,

որտեղ v-ը ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունն է. [S]-ը ենթաշերտի կոնցենտրացիան է. K M-ը Միքայելիսի հաստատունն է:

Դիտարկենք Միքայելի հաստատունի ֆիզիկական նշանակությունը: Պայմանով, որ v = ½ V max , մենք կստանանք K M = [S]: Այսպիսով, Michaelis հաստատունը հավասար է ենթաշերտի կոնցենտրացիային, որի դեպքում ռեակցիայի արագությունը առավելագույնի կեսն է:

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը կախված է նաև ֆերմենտի կոնցենտրացիայից (նկ. 31): Այս հարաբերությունը գծային է:

Բրինձ. 31. Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածությունը ֆերմենտի կոնցենտրացիայից

Ջերմաստիճանի ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածությունը ջերմաստիճանից ցույց է տրված նկ. 32.

Բրինձ. 32. Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածությունը ջերմաստիճանից.

Ցածր ջերմաստիճանում (մինչև մոտավորապես 40 - 50 o C), յուրաքանչյուր 10 o C-ի համար ջերմաստիճանի բարձրացումը, Վան Հոֆի կանոնի համաձայն, ուղեկցվում է քիմիական ռեակցիայի արագության բարձրացմամբ 2-4-ով: անգամ։ 55 - 60 ° C-ից բարձր ջերմաստիճաններում ֆերմենտի ակտիվությունը կտրուկ նվազում է նրա ջերմային դենատուրացիայի պատճառով, և, որպես հետևանք, նկատվում է ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կտրուկ նվազում: Ֆերմենտների առավելագույն ակտիվությունը սովորաբար դիտվում է 40 - 60 o C միջակայքում: Այն ջերմաստիճանը, որի դեպքում ֆերմենտի ակտիվությունը առավելագույն է, կոչվում է ջերմաստիճանի օպտիմալ: Ջերմասեր միկրոօրգանիզմների ֆերմենտների ջերմաստիճանի օպտիմալը գտնվում է ավելի բարձր ջերմաստիճանների շրջանում։

pH-ի ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա

pH-ից ֆերմենտային ակտիվության կախվածության գրաֆիկը ներկայացված է նկ. 33.

Բրինձ. 33. pH-ի ազդեցությունը ֆերմենտային ռեակցիայի արագության վրա

pH-ից կախվածության գրաֆիկը զանգակաձեւ է: Այն pH արժեքը, որի դեպքում ֆերմենտի ակտիվությունը առավելագույնն է, կոչվում է pH օպտիմալֆերմենտ. Տարբեր ֆերմենտների համար pH-ի օպտիմալ արժեքները շատ տարբեր են:

Ֆերմենտային ռեակցիայի pH-ից կախվածության բնույթը որոշվում է նրանով, որ այս ցուցանիշը ազդում է.

ա) կատալիզում ներգրավված ամինաթթուների մնացորդների իոնացում,

բ) ենթաշերտի իոնացում,

գ) ֆերմենտի և նրա ակտիվ վայրի ձևավորումը.

Ֆերմենտի արգելակում

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագությունը կարող է կրճատվել մի շարք քիմիական նյութերի գործողությամբ, որոնք կոչվում են արգելակիչներ. Որոշ ինհիբիտորներ թունավոր են մարդկանց համար, ինչպիսիք են ցիանիդները, իսկ մյուսները օգտագործվում են որպես դեղամիջոցներ:

Արգելակիչները կարելի է բաժանել երկու հիմնական տեսակի. անշրջելիև շրջելի. Անդառնալի ինհիբիտորները (I) միանում են ֆերմենտին` ձևավորելով բարդույթ, որի տարանջատումը անհնար է ֆերմենտային ակտիվության վերականգնմամբ.

Անդառնալի արգելակիչի օրինակ է դիիզոպրոպիլֆտորոֆոսֆատը (DFF): DPP-ն արգելակում է ացետիլխոլինէսթերազ ֆերմենտը, որը կարևոր դեր է խաղում նյարդային ազդակների փոխանցման գործում: Այս ինհիբիտորը փոխազդում է ֆերմենտի ակտիվ տեղամասի սերինի հետ՝ դրանով իսկ արգելափակելով վերջինիս ակտիվությունը։ Արդյունքում խանգարվում է նեյրոնների նյարդային բջիջների՝ նյարդային ազդակ վարելու ունակությունը։ DFF-ն առաջին նյարդային նյութերից մեկն է: Դրա հիման վրա ստեղծվել են մի շարք համեմատաբար ոչ թունավոր մարդկանց և կենդանիների համար։ միջատասպաններ -միջատների համար թունավոր նյութեր.

Հետադարձելի արգելակիչները, ի տարբերություն անդառնալիների, կարող են հեշտությամբ առանձնացվել ֆերմենտից որոշակի պայմաններում: Վերջինիս գործունեությունը վերականգնվում է.

Հետադարձելի արգելակիչները ներառում են մրցունակև ոչ մրցակցայինարգելակիչներ.

Մրցակցային ինհիբիտորը, լինելով սուբստրատի կառուցվածքային անալոգը, փոխազդում է ֆերմենտի ակտիվ կայքի հետ և այդպիսով արգելափակում է ենթաշերտի մուտքը դեպի ֆերմենտ: Այս դեպքում ինհիբիտորը չի ենթարկվում քիմիական փոխակերպումների և շրջելիորեն կապվում է ֆերմենտին: EI համալիրի տարանջատումից հետո ֆերմենտը կարող է կապվել կամ սուբստրատի հետ և փոխակերպել այն, կամ արգելակողին (նկ. 34.): Քանի որ և՛ սուբստրատը, և՛ արգելակիչը մրցում են ակտիվ վայրում տեղի համար, այս արգելակումը կոչվում է մրցունակ:

Բրինձ. 34. Մեխանիզմը գործողության մրցակցային inhibitor.

Բժշկության մեջ օգտագործվում են մրցակցային ինհիբիտորներ։ Սուլֆանիլամիդային պատրաստուկները նախկինում լայնորեն օգտագործվում էին վարակիչ հիվանդությունների դեմ պայքարելու համար։ Կառուցվածքային առումով մոտ են պարաամինոբենզոյան թթու(PABA), շատ պաթոգեն բակտերիաների աճի էական գործոն: PABA-ն ֆոլաթթվի ավետաբեր է, որը մի շարք ֆերմենտների համար ծառայում է որպես կոֆակտոր։ Սուլֆանիլամիդային պատրաստուկները գործում են որպես PABA-ից ֆոլաթթվի սինթեզի ֆերմենտների մրցակցային արգելակիչ և դրանով իսկ արգելակում են պաթոգեն բակտերիաների աճն ու վերարտադրությունը:

Ոչ մրցակցային ինհիբիտորները կառուցվածքով նման չեն սուբստրատին, և EI-ի ձևավորման ժամանակ փոխազդում են ոչ թե ակտիվ վայրի, այլ ֆերմենտի մեկ այլ տեղամասի հետ։ Ինհիբիտորի փոխազդեցությունը ֆերմենտի հետ հանգեցնում է վերջինիս կառուցվածքի փոփոխության։ EI համալիրի ձևավորումը շրջելի է, հետևաբար, դրա քայքայումից հետո ֆերմենտը կրկին ի վիճակի է հարձակվել սուբստրատի վրա (նկ. 35):

Բրինձ. 35. Ոչ մրցակցային արգելակիչի գործողության մեխանիզմը

CN - ցիանիդը կարող է հանդես գալ որպես ոչ մրցակցային արգելակիչ: Այն կապվում է մետաղական իոնների հետ, որոնք պրոթեզային խմբերի մաս են կազմում և արգելակում այդ ֆերմենտների ակտիվությունը։ Ցիանիդի թունավորումը չափազանց վտանգավոր է. Դրանք կարող են մահացու լինել։

Ալոստերիկ ֆերմենտներ

«Ալոստերիկ» տերմինը ծագում է հունարեն allo - մեկ այլ, ստերեո - բաժին բառերից: Այսպիսով, ալոստերիկ ֆերմենտները ակտիվ վայրի հետ մեկտեղ ունեն մեկ այլ կենտրոն, որը կոչվում է ալոստերիկ կենտրոն(նկ. 36): Այն նյութերը, որոնք կարող են փոխել ֆերմենտների ակտիվությունը, կապվում են ալոստերիկ կենտրոնի հետ, այդ նյութերը կոչվում են. ալոստերիկ էֆեկտորներ. Էֆեկտորները դրական են՝ ակտիվացնող ֆերմենտը, իսկ բացասականը՝ արգելակող, այսինքն. նվազեցնելով ֆերմենտների ակտիվությունը. Որոշ ալոստերիկ ֆերմենտների վրա կարող են ազդել երկու կամ ավելի էֆեկտորներ:

Բրինձ. 36. Ալոստերիկ ֆերմենտի կառուցվածքը.

Մուլտիֆերմենտային համակարգերի կարգավորում

Որոշ ֆերմենտներ գործում են համատեղ՝ միավորվելով բազմաֆերմենտային համակարգերի, որոնցում յուրաքանչյուր ֆերմենտ կատալիզացնում է նյութափոխանակության ուղու որոշակի փուլ.

Բազմաֆերմենտային համակարգում կա մի ֆերմենտ, որը որոշում է ռեակցիայի ամբողջ հաջորդականության արագությունը: Այս ֆերմենտը, որպես կանոն, ալոստերիկ է և գտնվում է մետաբոլիկ ճանապարհի սկզբում։ Նա ի վիճակի է, ստանալով տարբեր ազդանշաններ, ինչպես մեծացնել, այնպես էլ նվազեցնել կատալիզացված ռեակցիայի արագությունը, դրանով իսկ կարգավորելով ամբողջ գործընթացի արագությունը:

Քիմիական ռեակցիայի արագությունը կախված է բազմաթիվ գործոններից, այդ թվում՝ ռեակտիվների բնույթից, ռեակտիվների կոնցենտրացիայից, ջերմաստիճանից և կատալիզատորների առկայությունից։ Դիտարկենք այս գործոնները.

1). Ռեակտիվների բնույթը. Եթե ​​կա փոխազդեցություն իոնային կապ ունեցող նյութերի միջև, ապա ռեակցիան ավելի արագ է ընթանում, քան կովալենտային կապ ունեցող նյութերի միջև։

2.) Ռեակտիվ նյութի կոնցենտրացիան. Որպեսզի քիմիական ռեակցիա տեղի ունենա, ռեակտիվների մոլեկուլները պետք է բախվեն։ Այսինքն՝ մոլեկուլները պետք է այնքան մոտենան միմյանց, որ մի մասնիկի ատոմները զգան մյուսի էլեկտրական դաշտերի գործողությունը։ Միայն այս դեպքում հնարավոր կլինեն էլեկտրոնների անցումները և ատոմների համապատասխան վերադասավորումները, որոնց արդյունքում ձևավորվում են նոր նյութերի մոլեկուլներ։ Այսպիսով, քիմիական ռեակցիաների արագությունը համամասնական է մոլեկուլների միջև տեղի ունեցող բախումների քանակին, իսկ բախումների քանակը, իր հերթին, համաչափ է ռեակտիվների կոնցենտրացիայի հետ: Փորձարարական նյութի հիման վրա նորվեգացի գիտնականներ Գուլդբերգը և Վաագը և նրանցից անկախ ռուս գիտնական Բեկետովը 1867 թվականին ձևակերպեցին քիմիական կինետիկայի հիմնական օրենքը. զանգվածային գործողության օրենքը(ZDM). հաստատուն ջերմաստիճանում քիմիական ռեակցիայի արագությունը ուղիղ համեմատական ​​է ռեակտիվների կոնցենտրացիաների արտադրյալին նրանց ստոյխիոմետրիկ գործակիցների հզորությանը: Ընդհանուր գործի համար.

Զանգվածային գործողության օրենքը ունի հետևյալ ձևը.

Տվյալ ռեակցիայի զանգվածային գործողության օրենքը կոչվում է ռեակցիայի հիմնական կինետիկ հավասարումը. Հիմնական կինետիկ հավասարման մեջ k-ն ռեակցիայի արագության հաստատունն է, որը կախված է ռեակտիվների բնույթից և ջերմաստիճանից։

Քիմիական ռեակցիաների մեծ մասը շրջելի են։ Նման ռեակցիաների ընթացքում դրանց արտադրանքները, երբ դրանք կուտակվում են, փոխազդում են միմյանց հետ՝ ձևավորելով սկզբնական նյութեր.

Առաջնային ռեակցիայի արագությունը.

Հետադարձ կապի մակարդակը.

Հավասարակշռության պահին.

Այստեղից հավասարակշռության վիճակում գործող զանգվածների օրենքը կունենա հետևյալ ձևը.

որտեղ K-ն ռեակցիայի հավասարակշռության հաստատունն է:

3) Ջերմաստիճանի ազդեցությունը ռեակցիայի արագության վրա. Քիմիական ռեակցիաների արագությունը, որպես կանոն, մեծանում է, երբ ջերմաստիճանը գերազանցում է։ Դիտարկենք սա՝ օգտագործելով ջրածնի և թթվածնի փոխազդեցության օրինակը:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

20 0 C ջերմաստիճանում ռեակցիայի արագությունը գրեթե զրոյական է և կպահանջվի 54 միլիարդ տարի, որպեսզի փոխազդեցությունը անցնի 15% -ով: 500 0 C ջերմաստիճանում ջուր առաջացնելու համար պահանջվում է 50 րոպե, իսկ 700 0 C ջերմաստիճանում ռեակցիան ընթանում է ակնթարթորեն։

Արտահայտված է ռեակցիայի արագության կախվածությունը ջերմաստիճանից Վան Հոֆի կանոնը 10-ով ջերմաստիճանի բարձրացման դեպքում ռեակցիայի արագությունը մեծանում է 2-4 անգամ: Վանտ Հոֆի կանոնը գրված է.

4) Կատալիզատորների ազդեցությունը. Քիմիական ռեակցիաների արագությունը կարող է վերահսկվել կատալիզատորներ- նյութեր, որոնք փոխում են ռեակցիայի արագությունը և ռեակցիայից հետո մնում են անփոփոխ. Կատալիզատորի առկայության դեպքում ռեակցիայի արագության փոփոխությունը կոչվում է կատալիզ։ Տարբերել դրական(ռեակցիայի արագությունը մեծանում է) և բացասական(ռեակցիայի արագությունը նվազում է) կատալիզ. Երբեմն կատալիզատորը ձևավորվում է ռեակցիայի ժամանակ, նման գործընթացները կոչվում են ավտոկատալիտիկ։ Տարբերակել միատարր և տարասեռ կատալիզի միջև:

ժամը միատարրԿատալիզում կատալիզատորը և ռեակտիվները գտնվում են նույն փուլում: Օրինակ:

ժամը տարասեռԿատալիզում կատալիզատորը և ռեակտիվները գտնվում են տարբեր փուլերում: Օրինակ:

Հետերոգեն կատալիզը կապված է ֆերմենտային պրոցեսների հետ։ Կենդանի օրգանիզմներում տեղի ունեցող բոլոր քիմիական գործընթացները կատալիզացվում են ֆերմենտների կողմից, որոնք որոշակի մասնագիտացված գործառույթներ ունեցող սպիտակուցներ են: Այն լուծույթներում, որոնցում տեղի են ունենում ֆերմենտային պրոցեսներ, չկա բնորոշ տարասեռ միջավայր՝ հստակ սահմանված փուլային միջերեսի բացակայության պատճառով։ Նման պրոցեսները կոչվում են միկրոհետերոգեն կատալիզ:

Հարց 1. Ո՞ր նյութերն են կոչվում կատալիզատորներ:

Այն նյութերը, որոնք փոխում են քիմիական ռեակցիայի արագությունը և մնում են անփոփոխ դրա վերջում, կոչվում են կատալիզատորներ։

Հարց 2. Ի՞նչ դեր են խաղում ֆերմենտները բջջում:

Ֆերմենտները կենսաբանական կատալիզատորներ են, որոնք արագացնում են կենդանի բջջի քիմիական ռեակցիաները: Որոշ ֆերմենտների մոլեկուլները բաղկացած են միայն սպիտակուցներից, մյուսները ներառում են սպիտակուցային և ոչ սպիտակուցային միացություններ (օրգանական - կոենզիմ կամ անօրգանական - տարբեր մետաղների իոններ): Ֆերմենտները խիստ սպեցիֆիկ են. յուրաքանչյուր ֆերմենտ կատալիզացնում է որոշակի տեսակի ռեակցիաներ, որոնցում մասնակցում են որոշակի տեսակի սուբստրատի մոլեկուլներ:

Հարց 3. Ի՞նչ գործոններից կարող է կախված լինել ֆերմենտային ռեակցիաների արագությունը:

Ֆերմենտային ռեակցիաների արագությունը մեծապես կախված է ֆերմենտի կոնցենտրացիայից, նյութի բնույթից, ջերմաստիճանից, ճնշումից և միջավայրի (թթվային կամ ալկալային) ռեակցիայից։

Շատ ֆերմենտների համար որոշակի պայմաններում, օրինակ, որոշակի նյութերի մոլեկուլների առկայության դեպքում փոխվում է ակտիվ կենտրոնի կոնֆիգուրացիան, ինչը նրանց թույլ է տալիս ապահովել ամենամեծ ֆերմենտային ակտիվությունը:

Հարց 4. Ինչո՞ւ են ֆերմենտների մեծ մասը կորցնում իրենց կատալիտիկ հատկությունները բարձր ջերմաստիճաններում:

Շրջակա միջավայրի բարձր ջերմաստիճանը, որպես կանոն, առաջացնում է սպիտակուցի դենատուրացիա, այսինքն՝ նրա բնական կառուցվածքի խախտում։ Հետեւաբար, բարձր ջերմաստիճանի դեպքում ֆերմենտների մեծ մասը կորցնում է իրենց կատալիտիկ հատկությունները:

Հարց 5. Ինչու՞ վիտամինների պակասը կարող է խանգարումներ առաջացնել օրգանիզմի կենսական գործընթացներում:

Շատ վիտամիններ ֆերմենտների մի մասն են: Հետևաբար, օրգանիզմում վիտամինների պակասը հանգեցնում է բջիջներում ֆերմենտների ակտիվության թուլացման և, հետևաբար, կարող է առաջացնել կենսական գործընթացների խանգարումներ:

1.8. Կենսաբանական կատալիզատորներ

Այս էջը որոնել է.

• ինչ դեր են խաղում ֆերմենտները բջիջում
• ինչ նյութեր են կոչվում կատալիզատորներ
• ինչու է ֆերմենտների մեծ մասը բարձր ջերմաստիճանում
• Ո՞ր գործոններն են ազդում ֆերմենտային ռեակցիաների արագության վրա:
• Ինչու՞ են ֆերմենտների մեծ մասը կորցնում իրենց հատկությունները բարձր ջերմաստիճանում:

USE կոդավորիչի թեմաներ.Արագ արձագանք. Դրա կախվածությունը տարբեր գործոններից:

Քիմիական ռեակցիայի արագությունը ցույց է տալիս, թե որքան արագ է տեղի ունենում ռեակցիան: Փոխազդեցությունը տեղի է ունենում, երբ մասնիկները բախվում են տիեզերքում: Այս դեպքում ռեակցիան տեղի է ունենում ոչ թե ամեն բախման ժամանակ, այլ միայն այն դեպքում, երբ մասնիկները ունեն համապատասխան էներգիա։

Արագ արձագանք փոխազդող մասնիկների տարրական բախումների թիվն է, որն ավարտվում է քիմիական փոխակերպմամբ՝ ժամանակի միավորի վրա։

Քիմիական ռեակցիայի արագության որոշումը կապված է դրա իրականացման պայմանների հետ: Եթե ​​արձագանքը միատարր- այսինքն. արտադրանքները և ռեակտիվները գտնվում են նույն փուլում, ապա քիմիական ռեակցիայի արագությունը որոշվում է որպես նյութի փոփոխություն մեկ միավոր ժամանակում.

υ = ∆C / ∆t.

Եթե ​​ռեակտիվները կամ արտադրանքները գտնվում են տարբեր փուլերում, և մասնիկների բախումը տեղի է ունենում միայն միջերեսում, ապա ռեակցիան կոչվում է. տարասեռ, և դրա արագությունը որոշվում է ռեակցիայի մակերևույթի միավորի մեկ միավոր ժամանակում նյութի քանակի փոփոխությամբ.

υ = Δν / (S Δt).

Ինչպես անել, որ մասնիկները ավելի հաճախ բախվեն, այսինքն. ինչպես բարձրացնել քիմիական ռեակցիայի արագությունը?

1. Ամենահեշտ ճանապարհը մեծացնելն է ջերմաստիճանը . Ինչպես դուք պետք է իմանաք ձեր ֆիզիկայի դասընթացից, ջերմաստիճանը նյութի մասնիկների շարժման միջին կինետիկ էներգիայի չափումն է: Եթե ​​մենք բարձրացնենք ջերմաստիճանը, ապա ցանկացած նյութի մասնիկները սկսում են ավելի արագ շարժվել, հետևաբար ավելի հաճախ են բախվում:

Այնուամենայնիվ, ջերմաստիճանի բարձրացման հետ քիմիական ռեակցիաների արագությունը մեծանում է հիմնականում այն ​​պատճառով, որ արդյունավետ բախումների թիվը մեծանում է: Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ կտրուկ ավելանում է ակտիվ մասնիկների թիվը, որոնք կարող են հաղթահարել ռեակցիայի էներգետիկ արգելքը։ Եթե ​​մենք իջեցնենք ջերմաստիճանը, մասնիկները սկսում են ավելի դանդաղ շարժվել, ակտիվ մասնիկների թիվը նվազում է, իսկ արդյունավետ բախումների թիվը վայրկյանում նվազում է։ Այս կերպ, Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, քիմիական ռեակցիայի արագությունը մեծանում է, իսկ երբ ջերմաստիճանը նվազում է, այն նվազում է:.

Նշում! Այս կանոնը գործում է բոլոր քիմիական ռեակցիաների համար (ներառյալ էկզոթերմային և էնդոթերմիկները): Ռեակցիայի արագությունը կախված չէ ջերմային ազդեցությունից: Էկզոթերմիկ ռեակցիաների արագությունը մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ և նվազում է ջերմաստիճանի նվազման հետ: Էնդոթերմային ռեակցիաների արագությունը նույնպես մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, և նվազում է ջերմաստիճանի նվազման հետ։

Ավելին, դեռևս 19-րդ դարում հոլանդացի ֆիզիկոս Վան Հոֆը փորձնականորեն պարզեց, որ ռեակցիաների մեծամասնությունը աճում է մոտավորապես նույն արագությամբ (մոտ 2-4 անգամ) ջերմաստիճանի 10 ° C-ով բարձրացմամբ: Վանտ Հոֆի կանոնը հնչում է. ջերմաստիճանի բարձրացումը 10 ° C-ով հանգեցնում է քիմիական ռեակցիայի արագության բարձրացմանը 2-4 անգամ (այս արժեքը կոչվում է γ քիմիական ռեակցիայի արագության ջերմաստիճանի գործակից): Յուրաքանչյուր ռեակցիայի համար որոշվում է ջերմաստիճանի գործակիցի ճշգրիտ արժեքը:

այստեղ v-ն քիմիական ռեակցիայի արագությունն է,

Գ Ա և Գ Բ — A և B նյութերի կոնցենտրացիաները, համապատասխանաբար, մոլ/լ

կ համաչափության գործակիցն է, ռեակցիայի արագության հաստատունը։

Օրինակամոնիակի առաջացման ռեակցիայի համար.

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Զանգվածային գործողության օրենքը այսպիսի տեսք ունի.

- Սրանք քիմիական ռեակցիաներ են, որոնք մասնակցում են քիմիական ռեակցիային, փոխելով դրա արագությունն ու ուղղությունը, բայց ոչ ծախսվողռեակցիայի ընթացքում (ռեակցիայի վերջում դրանք չեն փոխվում ո՛չ քանակով, ո՛չ բաղադրությամբ)։ A + B տիպի ռեակցիայի համար կատալիզատորի աշխատանքի մոտավոր մեխանիզմը կարելի է պատկերել հետևյալ կերպ.

A+K=AK

AK + B = AB + K

Կատալիզատորի հետ փոխազդեցության ժամանակ ռեակցիայի արագության փոփոխման գործընթացը կոչվում է կատալիզ. Կատալիզատորները լայնորեն կիրառվում են արդյունաբերության մեջ, երբ անհրաժեշտ է մեծացնել ռեակցիայի արագությունը կամ ուղղել այն որոշակի ճանապարհով։

Ըստ կատալիզատորի ֆազային վիճակի՝ առանձնանում են միատարր և տարասեռ կատալիզը։

համասեռ կատալիզ - սա այն դեպքում, երբ ռեակտիվները և կատալիզատորը գտնվում են նույն փուլում (գազ, լուծույթ): Տիպիկ միատարր կատալիզատորներն են թթուները և հիմքերը: օրգանական ամիններ և այլն:

տարասեռ կատալիզ - սա այն դեպքում, երբ ռեակտիվները և կատալիզատորը գտնվում են տարբեր փուլերում: Որպես կանոն, տարասեռ կատալիզատորները պինդ են: Որովհետեւ Նման կատալիզատորներում փոխազդեցությունը տեղի է ունենում միայն նյութի մակերեսի վրա, կատալիզատորների համար կարևոր պահանջը մեծ մակերեսն է: Տարասեռ կատալիզատորները բնութագրվում են բարձր ծակոտկենությամբ, ինչը մեծացնում է կատալիզատորի մակերեսը: Այսպիսով, որոշ կատալիզատորների ընդհանուր մակերեսը երբեմն հասնում է 500 քառակուսի մետրի 1 գ կատալիզատորի դիմաց: Մեծ տարածքը և ծակոտկենությունը ապահովում են արդյունավետ փոխազդեցություն ռեակտիվների հետ: Տարասեռ կատալիզատորներից են մետաղները, ցեոլիտները՝ ալյումինոսիլիկատային խմբի բյուրեղային միներալները (սիլիկոնի և ալյումինի միացություններ) և այլն։

Օրինակտարասեռ կատալիզ - ամոնիակի սինթեզ:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Որպես կատալիզատոր օգտագործվում է ծակոտկեն երկաթ՝ Al 2 O 3 և K 2 O կեղտերով։

Կատալիզատորն ինքնին չի սպառվում քիմիական ռեակցիայի ժամանակ, բայց կատալիզատորի մակերեսին կուտակվում են այլ նյութեր, որոնք կապում են կատալիզատորի ակտիվ կենտրոնները և արգելափակում նրա աշխատանքը ( կատալիտիկ թույներ) Նրանք պետք է պարբերաբար հեռացվեն կատալիզատորը վերականգնելու միջոցով:

Կատալիզատորները շատ արդյունավետ են կենսաքիմիական ռեակցիաներում: ֆերմենտներ. Ֆերմենտային կատալիզատորները գործում են բարձր արդյունավետությամբ և ընտրովի, 100% ընտրողականությամբ: Ցավոք, ֆերմենտները շատ զգայուն են ջերմաստիճանի բարձրացման, միջին թթվայնության և այլ գործոնների նկատմամբ, հետևաբար, կան մի շարք սահմանափակումներ ֆերմենտային կատալիզով գործընթացների արդյունաբերական մասշտաբի իրականացման համար:

Կատալիզատորները չպետք է շփոթել նախաձեռնողներգործընթաց և արգելակիչներ. Օրինակ, մեթանի քլորացման արմատական ​​ռեակցիա սկսելու համար անհրաժեշտ է ուլտրամանուշակագույն ճառագայթում: Դա կատալիզատոր չէ: Որոշ արմատական ​​ռեակցիաներ սկսվում են պերօքսիդի ռադիկալների կողմից: Նրանք նույնպես կատալիզատորներ չեն:

Ինհիբիտորներնյութեր են, որոնք դանդաղեցնում են քիմիական ռեակցիան։ Ինհիբիտորները կարող են սպառվել և մասնակցել քիմիական ռեակցիայի: Այս դեպքում ինհիբիտորները կատալիզատորներ չեն, հակառակը: Հակադարձ կատալիզը սկզբունքորեն անհնար է. ռեակցիան ամեն դեպքում կփորձի գնալ ամենաարագ ճանապարհով:

5. Ռեակտիվների շփման տարածքը: Տարասեռ ռեակցիաների դեպքում արդյունավետ բախումների քանակն ավելացնելու եղանակներից մեկը մեծացնելն է ռեակցիայի մակերեսը . Որքան մեծ է արձագանքող փուլերի շփման մակերեսը, այնքան ավելի մեծ է տարասեռ քիմիական ռեակցիայի արագությունը: Փոշի ցինկը շատ ավելի արագ է լուծվում թթվի մեջ, քան նույն քաշի հատիկավոր ցինկը։

Արդյունաբերության մեջ ռեակտիվների շփման մակերեսի մակերեսը մեծացնելու համար օգտագործում են հեղուկացված մահճակալի մեթոդը. Օրինակ, ծծմբաթթվի արտադրության մեջ եռացող շերտի մեթոդով պիրիտը բովում է։

6. Ռեակտիվների բնույթը . Քիմիական ռեակցիաների արագության վրա, այլ հավասար պայմաններում, նույնպես ազդում են քիմիական հատկությունները, այսինքն. ռեակտիվների բնույթը. Ավելի քիչ ակտիվ նյութերը կունենան ավելի բարձր ակտիվացման արգելք և ավելի դանդաղ են արձագանքում, քան ավելի ակտիվ նյութերը: Ավելի ակտիվ նյութերն ունեն ավելի ցածր ակտիվացման էներգիա և շատ ավելի հեշտ և ավելի հավանական է, որ մտնում են քիմիական ռեակցիաներ:

Ակտիվացման ցածր էներգիաների դեպքում (40 կՋ/մոլից պակաս) ռեակցիան ընթանում է շատ արագ և հեշտությամբ։ Մասնիկների բախումների զգալի մասը ավարտվում է քիմիական փոխակերպմամբ։ Օրինակ՝ նորմալ պայմաններում իոնափոխանակման ռեակցիաները շատ արագ են տեղի ունենում։

Ակտիվացման բարձր էներգիաների դեպքում (ավելի քան 120 կՋ/մոլ), բախումների միայն փոքր մասն է ավարտվում քիմիական փոխակերպմամբ։ Նման ռեակցիաների արագությունը աննշան է: Օրինակ, նորմալ պայմաններում ազոտը գործնականում չի փոխազդում թթվածնի հետ։

Միջին ակտիվացման էներգիաների դեպքում (40-ից մինչև 120 կՋ/մոլ) ռեակցիայի արագությունը կլինի միջին: Նման ռեակցիաները նույնպես ընթանում են նորմալ պայմաններում, բայց ոչ շատ արագ, որպեսզի դրանք դիտարկվեն անզեն աչքով։ Այդ ռեակցիաները ներառում են նատրիումի փոխազդեցությունը ջրի հետ, երկաթի փոխազդեցությունը աղաթթվի հետ և այլն։

Նյութերը, որոնք կայուն են նորմալ պայմաններում, հակված են ակտիվացման բարձր էներգիայի: