Cheminių virsmų mechanizmus ir jų greičius tiria cheminė kinetika. Cheminiai procesai laikui bėgant vyksta skirtingu greičiu. Kai kurie įvyksta greitai, beveik akimirksniu, o kiti užtrunka labai ilgai.
Susisiekus su
Greitoji reakcija- greitis, kuriuo sunaudojami reagentai (mažėja jų koncentracija) arba susidaro reakcijos produktai tūrio vienetui.
Veiksniai, galintys turėti įtakos cheminės reakcijos greičiui
Cheminės reakcijos greitį gali paveikti šie veiksniai:
- medžiagų koncentracija;
- reagentų pobūdis;
- temperatūra;
- katalizatoriaus buvimas;
- slėgis (reakcijoms dujų aplinkoje).
Taigi, keisdami tam tikras cheminio proceso sąlygas, galite įtakoti, kaip greitai procesas vyks.
Cheminės sąveikos procese reaguojančių medžiagų dalelės susiduria viena su kita. Tokių sutapimų skaičius yra proporcingas medžiagų dalelių skaičiui reaguojančio mišinio tūryje, todėl proporcingas reagentų molinėms koncentracijoms.
Masinių veiksmų dėsnis apibūdina reakcijos greičio priklausomybę nuo sąveikaujančių medžiagų molinių koncentracijų.
Elementariajai reakcijai (A + B → ...) šis dėsnis išreiškiamas formule:
υ = k ∙С A ∙С B,
čia k yra greičio konstanta; CA ir CB yra reagentų A ir B molinės koncentracijos.
Jei viena iš reaguojančių medžiagų yra kietos būsenos, tai sąveika vyksta sąsajoje, todėl kietosios medžiagos koncentracija nėra įtraukta į masės veikimo kinetinės dėsnio lygtį. Norint suprasti greičio konstantos fizikinę reikšmę, reikia paimti C, A ir C B lygius 1. Tada paaiškėja, kad greičio konstanta lygi reakcijos greičiui, kai reagento koncentracija lygi vienetui.
Reagentų pobūdis
Kadangi sąveikos metu sunaikinami reaguojančių medžiagų cheminiai ryšiai ir susidaro nauji reakcijos produktų ryšiai, didelę reikšmę turės junginių reakcijoje dalyvaujančių jungčių pobūdis ir reaguojančių medžiagų molekulių struktūra. .
Reagentų sąlyčio paviršiaus plotas
Tokia charakteristika, kaip kietų reagentų sąlyčio paviršiaus plotas, turi įtakos reakcijos eigai, kartais gana reikšmingai. Kietos medžiagos šlifavimas leidžia padidinti reagentų sąlyčio paviršiaus plotą ir taip pagreitinti procesą. Tirpių medžiagų sąlyčio plotas lengvai padidinamas ištirpinant medžiagą.
Reakcijos temperatūra
Kylant temperatūrai, padidės susidūrusių dalelių energija, akivaizdu, kad kylant temperatūrai pagreitės ir pats cheminis procesas. Aiškiu pavyzdžiu, kaip temperatūros padidėjimas veikia medžiagų sąveikos procesą, galima laikyti lentelėje pateiktus duomenis.
1 lentelė. Temperatūros pokyčių įtaka vandens susidarymo greičiui (O 2 +2H 2 → 2H 2 O)
Norint kiekybiškai apibūdinti, kaip temperatūra gali paveikti medžiagų sąveikos greitį, naudojama Van't Hoff taisyklė. Van't Hoffo taisyklė – temperatūrai pakilus 10 laipsnių, pagreitėja 2–4 kartus.
Matematinė formulė, apibūdinanti van't Hoffo taisyklę, yra tokia:
Čia γ yra cheminės reakcijos greičio temperatūros koeficientas (γ = 2−4).
Tačiau Arrheniuso lygtis kur kas tiksliau apibūdina greičio konstantos priklausomybę nuo temperatūros:
Kur R yra universali dujų konstanta, A yra veiksnys, nustatomas pagal reakcijos tipą, E, A yra aktyvacijos energija.
Aktyvacijos energija yra energija, kurią molekulė turi įgyti, kad įvyktų cheminė transformacija. Tai yra, tai yra tam tikras energijos barjeras, kurį turės įveikti reakcijos tūryje susidūrusios molekulės, kad perskirstytų ryšius.
Aktyvinimo energija nepriklauso nuo išorinių veiksnių, bet priklauso nuo medžiagos pobūdžio. Aktyvinimo energijos vertė iki 40 - 50 kJ/mol leidžia medžiagoms gana aktyviai reaguoti viena su kita. Jei aktyvacijos energija viršija 120 kJ/mol, tada medžiagos (įprastoje temperatūroje) reaguos labai lėtai. Temperatūros pokytis lemia aktyvių molekulių skaičiaus pasikeitimą, tai yra molekulių, kurios pasiekė energiją, didesnę už aktyvacijos energiją, todėl gali chemines transformacijas.
Katalizatoriaus veikimas
Katalizatorius yra medžiaga, kuri gali pagreitinti procesą, bet nėra jo produktų dalis. Katalizė (cheminio virsmo pagreitis) skirstoma į homogeninę ir nevienalytę. Jei reagentai ir katalizatorius yra tose pačiose agregacijos būsenose, tada katalizė vadinama vienalyte, o jei skirtingos, tada ji yra nevienalytė. Katalizatorių veikimo mechanizmai yra įvairūs ir gana sudėtingi. Be to, verta paminėti, kad katalizatoriai pasižymi veikimo selektyvumu. Tai yra, tas pats katalizatorius, pagreitindamas vieną reakciją, negali pakeisti kitos greičio.
Slėgis
Jei transformacijoje dalyvauja dujinės medžiagos, proceso greičiui įtakos turės slėgio pokyčiai sistemoje . Taip atsitinka todėl, kad dujinių reagentų slėgio pokytis lemia koncentracijos pasikeitimą.
Eksperimentinis cheminės reakcijos greičio nustatymas
Cheminio virsmo greitį galima nustatyti eksperimentiniu būdu, gavus duomenis, kaip per laiko vienetą kinta į reakciją patenkančių medžiagų arba produktų koncentracija. Tokių duomenų gavimo būdai skirstomi į
- cheminis,
- fizinės-cheminės.
Cheminiai metodai yra gana paprasti, prieinami ir tikslūs. Jų pagalba greitis nustatomas tiesiogiai matuojant reagentų ar produktų medžiagos koncentraciją arba kiekį. Esant lėtai reakcijai, imami mėginiai, siekiant stebėti, kaip sunaudojamas reagentas. Tada nustatomas reagento kiekis mėginyje. Reguliariai imant mėginius, galima gauti duomenis apie medžiagos kiekio pokyčius sąveikos proceso metu. Dažniausiai naudojamos analizės rūšys yra titrimetrija ir gravimetrija.
Jei reakcija vyksta greitai, ją reikia sustabdyti, kad būtų paimtas mėginys. Tai galima padaryti naudojant aušinimą, staigus katalizatoriaus pašalinimas, taip pat galima atskiesti arba perkelti vieną iš reagentų į nereaguojančią būseną.
Fizikinės ir cheminės analizės metodai šiuolaikinėje eksperimentinėje kinetikoje naudojami dažniau nei cheminiai. Jų pagalba galite stebėti medžiagų koncentracijų pokyčius realiu laiku. Tokiu atveju nereikia stabdyti reakcijos ir imti mėginių.
Fizikiniai ir cheminiai metodai yra pagrįsti fizikinės savybės, kuri priklauso nuo tam tikro junginio kiekybinio kiekio sistemoje ir kinta laikui bėgant, matavimu. Pavyzdžiui, jei reakcijoje dalyvauja dujos, tokia savybė gali būti slėgis. Taip pat matuojamas medžiagų elektrinis laidumas, lūžio rodiklis ir sugerties spektrai.
§ 12. FERMENTINIŲ REAKCIJŲ KINETIKA
Fermentinių reakcijų kinetika – tai mokslas apie fermentinių reakcijų greitį ir jų priklausomybę nuo įvairių veiksnių. Fermentinės reakcijos greitis nustatomas pagal cheminį sureagavusio substrato arba gauto reakcijos produkto kiekį per laiko vienetą tūrio vienetui tam tikromis sąlygomis:
čia v – fermentinės reakcijos greitis, substrato arba reakcijos produkto koncentracijos pokytis, t – laikas.
Fermentinės reakcijos greitis priklauso nuo fermento pobūdžio, kuris lemia jo aktyvumą. Kuo didesnis fermento aktyvumas, tuo greitesnis reakcijos greitis. Fermento aktyvumą lemia fermento katalizuojamos reakcijos greitis. Fermento aktyvumo matas yra vienas standartinis fermento aktyvumo vienetas. Vienas standartinis fermento aktyvumo vienetas yra fermento kiekis, kuris katalizuoja 1 µmol substrato konversiją per 1 minutę.
Fermentinės reakcijos metu fermentas (E) sąveikauja su substratu (S), todėl susidaro fermento-substrato kompleksas, kuris vėliau suyra ir išsiskiria fermentas ir reakcijos produktas (P):
Fermentinės reakcijos greitis priklauso nuo daugelio veiksnių: substrato ir fermento koncentracijos, temperatūros, aplinkos pH, įvairių reguliuojančių medžiagų, kurios gali padidinti arba sumažinti fermentų aktyvumą, buvimo.
Įdomu žinoti! Fermentai medicinoje naudojami diagnozuojant įvairias ligas. Miokardo infarkto metu dėl širdies raumens pažeidimo ir irimo kraujyje smarkiai padidėja fermentų aspartato transaminazės ir alanino aminotransferazės kiekis. Jų aktyvumo nustatymas leidžia diagnozuoti šią ligą.
Substrato ir fermento koncentracijos įtaka fermentinės reakcijos greičiui
Panagrinėkime substrato koncentracijos įtaką fermentinės reakcijos greičiui (30 pav.). Esant mažoms substrato koncentracijoms, greitis yra tiesiogiai proporcingas jo koncentracijai, tada, didėjant koncentracijai, reakcijos greitis didėja lėčiau, o esant labai didelėms substrato koncentracijoms, greitis praktiškai nepriklauso nuo jo koncentracijos ir pasiekia savo koncentraciją. maksimali vertė (V max). Esant tokioms substrato koncentracijoms, visos fermento molekulės yra fermento-substrato komplekso dalis ir pasiekiamas visiškas aktyvių fermento centrų prisotinimas, todėl reakcijos greitis šiuo atveju praktiškai nepriklauso nuo substrato koncentracijos.
Ryžiai. 30. Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo substrato koncentracijos
Fermentų aktyvumo priklausomybės nuo substrato koncentracijos grafikas aprašytas Michaelis-Menten lygtimi, kuri gavo savo pavadinimą iškilių mokslininkų L. Michaelio ir M. Menten garbei, kurie labai prisidėjo tiriant kinetikos kinetiką. fermentinės reakcijos,
čia v yra fermentinės reakcijos greitis; [S] – substrato koncentracija; K M – Michaelio konstanta.
Panagrinėkime fizinę Michaelio konstantos reikšmę. Jei v = ½ V max , gauname K M = [S]. Taigi Michaelio konstanta yra lygi substrato koncentracijai, kuriai esant reakcijos greitis yra pusė didžiausio.
Fermentinės reakcijos greitis priklauso ir nuo fermento koncentracijos (31 pav.). Ši priklausomybė yra aiški.
Ryžiai. 31. Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo fermento koncentracijos
Temperatūros įtaka fermentinės reakcijos greičiui
Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros parodyta fig. 32.
Ryžiai. 32. Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros.
Esant žemai temperatūrai (maždaug iki 40 - 50 o C), temperatūros padidėjimas kas 10 o C pagal Vant Hoffo taisyklę kartu su cheminės reakcijos greičio padidėjimu 2 - 4 kartus. Esant aukštai temperatūrai, aukštesnei nei 55–60 o C, fermento aktyvumas smarkiai sumažėja dėl jo terminio denatūravimo, todėl pastebimas staigus fermentinės reakcijos greičio sumažėjimas. Didžiausias fermentų aktyvumas paprastai stebimas 40 - 60 o C diapazone. Temperatūra, kurioje fermentų aktyvumas yra didžiausias, vadinama temperatūros optimalia. Termofilinių mikroorganizmų fermentų optimali temperatūra yra aukštesnės temperatūros srityje.
PH įtaka fermentinės reakcijos greičiui
Fermentinio aktyvumo priklausomybė nuo pH parodyta Fig. 33.
Ryžiai. 33. PH įtaka fermentinės reakcijos greičiui
PH grafikas yra varpelio formos. Vadinama pH vertė, kuriai esant didžiausias fermentų aktyvumas pH optimalus fermentas. Įvairių fermentų optimalios pH vertės labai skiriasi.
Fermentinės reakcijos priklausomybės nuo pH pobūdį lemia tai, kad šis indikatorius turi įtakos:
a) katalizėje dalyvaujančių aminorūgščių liekanų jonizavimas,
b) substrato jonizacija,
c) fermento ir jo aktyvaus centro konformacija.
Fermentų slopinimas
Fermentinės reakcijos greitį gali sumažinti daugybė cheminių medžiagų, vadinamų inhibitoriai. Kai kurie inhibitoriai yra nuodai žmonėms, pavyzdžiui, cianidas, kiti naudojami kaip vaistai.
Inhibitoriai gali būti suskirstyti į du pagrindinius tipus: negrįžtamas Ir grįžtamasis. Negrįžtami inhibitoriai (I) jungiasi prie fermento ir sudaro kompleksą, kurio disociacija atkuriant fermento aktyvumą yra neįmanoma:
Negrįžtamo inhibitoriaus pavyzdys yra diizopropilo fluorofosfatas (DFP). DPP slopina fermentą acetilcholinesterazę, kuri atlieka svarbų vaidmenį perduodant nervinius impulsus. Šis inhibitorius sąveikauja su serinu aktyviame fermento centre, taip blokuodamas pastarojo aktyvumą. Dėl to sutrinka neuronų nervinių ląstelių procesų gebėjimas atlikti nervinius impulsus. DPP yra viena iš pirmųjų nervus paralyžiuojančių medžiagų. Jos pagrindu buvo sukurta nemažai produktų, kurie yra gana netoksiški žmonėms ir gyvūnams. insekticidai - vabzdžiams nuodingos medžiagos.
Grįžtamieji inhibitoriai, skirtingai nei negrįžtamieji, tam tikromis sąlygomis gali būti lengvai atskirti nuo fermento. Pastarųjų veikla atkuriama:
Grįžtamieji inhibitoriai apima konkurencingas Ir nekonkurencingas inhibitoriai.
Konkurencinis inhibitorius, būdamas struktūriniu substrato analogu, sąveikauja su aktyviuoju fermento centru ir taip blokuoja substrato prieigą prie fermento. Šiuo atveju inhibitorius nevyksta cheminių transformacijų ir grįžtamai jungiasi su fermentu. Po EI komplekso disociacijos fermentas gali kontaktuoti arba su substratu ir jį konvertuoti, arba su inhibitoriumi (34 pav.). Kadangi ir substratas, ir inhibitorius konkuruoja dėl vietos aktyvioje vietoje, šis slopinimas vadinamas konkurenciniu.
Ryžiai. 34. Konkurencingo inhibitoriaus veikimo mechanizmas.
Konkurencingi inhibitoriai naudojami medicinoje. Sulfonamidiniai vaistai anksčiau buvo plačiai naudojami kovojant su infekcinėmis ligomis. Savo struktūra jie yra artimi para-aminobenzenkarboksirūgštis(PABA), esminis daugelio patogeninių bakterijų augimo faktorius. PABA yra folio rūgšties pirmtakas, kuris yra kelių fermentų kofaktorius. Sulfonamidiniai vaistai veikia kaip konkurencinis fermentų inhibitorius folio rūgšties sintezei iš PABA ir taip slopina patogeninių bakterijų augimą ir dauginimąsi.
Nekonkurencingi inhibitoriai struktūriškai nėra panašūs į substratą ir, susidarius EI, sąveikauja ne su aktyviuoju centru, o su kita fermento vieta. Inhibitoriaus sąveika su fermentu lemia pastarojo struktūros pasikeitimą. EI komplekso susidarymas yra grįžtamas, todėl jam suskaidžius fermentas vėl gali atakuoti substratą (35 pav.).
Ryžiai. 35. Nekonkurencinio inhibitoriaus veikimo mechanizmas
Cianidas CN – gali veikti kaip nekonkurencinis inhibitorius. Jis jungiasi su metalų jonais, kurie yra protezų grupių dalis, ir slopina šių fermentų aktyvumą. Apsinuodijimas cianidu yra labai pavojingas. Jie gali būti mirtini.
Allosteriniai fermentai
Terminas „allosterinis“ kilęs iš graikų kalbos žodžių allo – kita, stereo – svetainė. Taigi alosteriniai fermentai kartu su aktyviuoju centru turi kitą centrą, vadinamą allosterinis centras(36 pav.). Medžiagos, galinčios pakeisti fermentų aktyvumą, jungiasi prie alosterinio centro; šios medžiagos vadinamos allosteriniai efektoriai. Efektoriai yra teigiami – aktyvuojantys fermentą, o neigiami – slopinantys, t.y. mažina fermentų aktyvumą. Kai kuriuos alosterinius fermentus gali paveikti du ar daugiau efektorių.
Ryžiai. 36. Allosterinio fermento sandara.
Daugiafermentinių sistemų reguliavimas
Kai kurie fermentai veikia kartu, susijungdami į daugiafermentines sistemas, kuriose kiekvienas fermentas katalizuoja tam tikrą metabolizmo kelio etapą:
Daugiafermentinėje sistemoje yra fermentas, kuris lemia visos reakcijų sekos greitį. Šis fermentas dažniausiai yra alosterinis ir yra metabolito kelio pradžioje. Jis, priimdamas įvairius signalus, gali tiek padidinti, tiek sumažinti katalizuojamos reakcijos greitį ir taip reguliuoti viso proceso greitį.
Cheminės reakcijos greitis priklauso nuo daugelio veiksnių, įskaitant reagentų pobūdį, reagentų koncentraciją, temperatūrą ir katalizatorių buvimą. Panagrinėkime šiuos veiksnius.
1). Reagentų prigimtis. Jei yra sąveika tarp medžiagų, turinčių joninį ryšį, tada reakcija vyksta greičiau nei tarp medžiagų, turinčių kovalentinį ryšį.
2.) Reagentų koncentracija. Kad įvyktų cheminė reakcija, reaguojančių medžiagų molekulės turi susidurti. Tai yra, molekulės turi būti taip arti viena kitos, kad vienos dalelės atomai patirtų kitos elektrinių laukų veikimą. Tik tokiu atveju bus galimi elektronų perėjimai ir atitinkami atomų persitvarkymai, dėl kurių susidaro naujų medžiagų molekulės. Taigi cheminių reakcijų greitis yra proporcingas susidūrimų tarp molekulių skaičiui, o susidūrimų skaičius, savo ruožtu, yra proporcingas reaguojančių medžiagų koncentracijai. Remdamiesi eksperimentine medžiaga, norvegų mokslininkai Guldbergas ir Waage bei, nepriklausomai nuo jų, rusų mokslininkas Beketovas 1867 m. suformulavo pagrindinį cheminės kinetikos dėsnį - masinio veikimo dėsnis(ZDM): esant pastoviai temperatūrai, cheminės reakcijos greitis yra tiesiogiai proporcingas reaguojančių medžiagų koncentracijų sandaugai su jų stechiometrinių koeficientų galia. Bendram atvejui:
Masinio veiksmo dėsnis turi tokią formą:
Masės veikimo dėsnio įrašymas tam tikrai reakcijai vadinamas pagrindinė kinetinė reakcijos lygtis. Pagrindinėje kinetinėje lygtyje k yra reakcijos greičio konstanta, kuri priklauso nuo reagentų pobūdžio ir temperatūros.
Dauguma cheminių reakcijų yra grįžtamos. Tokių reakcijų metu jų produktai, besikaupdami, reaguoja vienas su kitu, sudarydami pradines medžiagas:
Pirmyn reakcijos greitis:
Atsiliepimo greitis:
Pusiausvyros momentu:
Taigi masinio veikimo dėsnis pusiausvyros būsenoje įgauna tokią formą:
kur K yra reakcijos pusiausvyros konstanta.
3) Temperatūros įtaka reakcijos greičiui. Cheminių reakcijų greitis, kaip taisyklė, didėja, kai viršijama temperatūra. Panagrinėkime tai naudodami vandenilio sąveikos su deguonimi pavyzdį.
2H 2 + O 2 = 2H 2 O
Esant 20 0 C, reakcijos greitis praktiškai lygus nuliui ir prireiktų 54 milijardų metų, kad sąveika progresuotų 15%. 500 0 C temperatūroje vanduo susidarys per 50 minučių, o esant 700 0 C temperatūrai reakcija įvyksta akimirksniu.
Išreiškiama reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros van't Hoffo taisyklė: temperatūrai padidėjus 10 o, reakcijos greitis padidėja 2–4 kartus. Van't Hoffo taisyklė parašyta:
4) Katalizatorių poveikis. Cheminių reakcijų greitį galima kontroliuoti naudojant katalizatoriai– medžiagos, kurios keičia reakcijos greitį ir lieka po reakcijos nepakitę kiekiai. Reakcijos greičio keitimas esant katalizatoriui vadinamas katalizė. Išskirti teigiamas(padidėja reakcijos greitis) ir neigiamas(reakcijos greitis mažėja) katalizė. Kartais reakcijos metu susidaro katalizatorius, tokie procesai vadinami autokataliziniais. Yra homogeninė ir nevienalytė katalizė.
At vienalytis Katalizėje katalizatorius ir reagentai yra toje pačioje fazėje. Pavyzdžiui:
At nevienalytis Katalizėje katalizatorius ir reagentai yra skirtingose fazėse. Pavyzdžiui:
Heterogeninė katalizė yra susijusi su fermentiniais procesais. Visus cheminius procesus, vykstančius gyvuose organizmuose, katalizuoja fermentai, kurie yra baltymai, turintys tam tikras specializuotas funkcijas. Tirpaluose, kuriuose vyksta fermentiniai procesai, nėra tipiškos nevienalytės aplinkos, nes nėra aiškiai apibrėžtos fazės sąsajos. Tokie procesai vadinami mikroheterogenine katalizė.
1 klausimas. Kokios medžiagos vadinamos katalizatoriais?
Medžiagos, kurios keičia cheminės reakcijos greitį, o pabaigoje išlieka nepakitusios, vadinamos katalizatoriais.
2 klausimas. Kokį vaidmenį ląstelėje atlieka fermentai?
Fermentai yra biologiniai katalizatoriai, kurie pagreitina chemines reakcijas gyvoje ląstelėje. Vienų fermentų molekulės susideda tik iš baltymų, kitų – baltymas ir nebaltyminio pobūdžio junginys (organiniai – kofermentai arba neorganiniai – įvairių metalų jonai). Fermentai yra griežtai specifiniai: kiekvienas fermentas katalizuoja tam tikro tipo reakciją, kurioje dalyvauja tam tikro tipo substrato molekulės.
3 klausimas. Nuo kokių veiksnių gali priklausyti fermentinių reakcijų greitis?
Fermentinių reakcijų greitis labai priklauso nuo fermento koncentracijos, medžiagos pobūdžio, temperatūros, slėgio, terpės reakcijos (rūgštinės ar šarminės).
Daugeliui fermentų, esant tam tikroms sąlygoms, pavyzdžiui, esant tam tikrų medžiagų molekulėms, pasikeičia aktyvaus centro konfigūracija, kuri leidžia jiems užtikrinti didžiausią fermentinį aktyvumą.
4 klausimas. Kodėl aukštoje temperatūroje dauguma fermentų praranda savo katalizines savybes?
Aukšta aplinkos temperatūra, kaip taisyklė, sukelia baltymo denatūraciją, t.y., suardo jo natūralią struktūrą. Todėl esant aukštai temperatūrai dauguma fermentų praranda savo katalizines savybes.
5 klausimas. Kodėl vitaminų trūkumas gali sukelti organizmo gyvybinių procesų sutrikimus?
Daugelis vitaminų yra fermentų dalis. Todėl vitaminų trūkumas organizme lemia fermentų aktyvumo susilpnėjimą ląstelėse, todėl gali sutrikti gyvybiniai procesai.
1.8. Biologiniai katalizatoriai
4,3 (86,15%) 52 balsaiIeškota šiame puslapyje:
- Kokį vaidmenį ląstelėje atlieka fermentai?
- kokios medžiagos vadinamos katalizatoriais
- kodėl dauguma fermentų yra aukštos temperatūros
- nuo kokių veiksnių gali priklausyti fermentinių reakcijų greitis?
- kodėl dauguma fermentų praranda aukštoje temperatūroje?
Vieningo valstybinio egzamino kodifikatoriaus temos:Greitoji reakcija. Jo priklausomybė nuo įvairių veiksnių.
Cheminės reakcijos greitis parodo, kaip greitai įvyksta tam tikra reakcija. Sąveika vyksta dalelėms susidūrus erdvėje. Šiuo atveju reakcija vyksta ne kiekvieno susidūrimo metu, o tik tada, kai dalelė turi atitinkamą energiją.
Greitoji reakcija – elementarių sąveikaujančių dalelių susidūrimų, pasibaigiančių chemine transformacija, skaičius per laiko vienetą.
Cheminės reakcijos greičio nustatymas yra susijęs su sąlygomis, kuriomis ji vyksta. Jei reakcija vienalytis- t.y. produktai ir reagentai yra toje pačioje fazėje – tada cheminės reakcijos greitis apibrėžiamas kaip medžiagos pokytis per laiko vienetą:
υ = ΔC / Δt.
Jei reagentai ar produktai yra skirtingose fazėse, o dalelių susidūrimas įvyksta tik ties fazės riba, tada reakcija vadinama nevienalytis, o jo greitis nustatomas pagal medžiagos kiekio pasikeitimą per laiko vienetą reakcijos paviršiaus vienete:
υ = Δν / (S·Δt).
Kaip priversti daleles dažniau susidurti, t.y. Kaip padidinti cheminės reakcijos greitį?
1. Lengviausias būdas yra padidinti temperatūros . Kaip tikriausiai žinote iš savo fizikos kurso, temperatūra yra medžiagos dalelių judėjimo vidutinės kinetinės energijos matas. Jei padidiname temperatūrą, bet kurios medžiagos dalelės pradeda judėti greičiau ir todėl dažniau susiduria.
Tačiau kylant temperatūrai cheminių reakcijų greitis didėja daugiausia dėl to, kad didėja efektyvių susidūrimų skaičius. Kylant temperatūrai, stipriai didėja aktyvių dalelių, galinčių įveikti reakcijos energetinį barjerą, skaičius. Jei temperatūrą sumažiname, dalelės pradeda judėti lėčiau, mažėja aktyvių dalelių, o efektyvių susidūrimų per sekundę skaičius. Taigi, Kylant temperatūrai, cheminės reakcijos greitis didėja, o temperatūrai mažėjant – mažėja..
Pastaba!
Ši taisyklė vienoda visoms cheminėms reakcijoms (įskaitant egzotermines ir endotermines). Reakcijos greitis nepriklauso nuo šiluminio efekto. Egzoterminių reakcijų greitis didėja kylant temperatūrai ir mažėja, kai temperatūra mažėja. Endoterminių reakcijų greitis taip pat didėja didėjant temperatūrai ir mažėja, kai temperatūra mažėja.Be to, dar XIX amžiuje olandų fizikas Van't Hoffas eksperimentiškai nustatė, kad dauguma reakcijų savo greitį padidina maždaug vienodai (apie 2-4 kartus), kai temperatūra pakyla 10 o C. Van't Hoffo taisyklė skamba taip: temperatūrai padidėjus 10 o C, cheminės reakcijos greitis padidėja 2-4 kartus (ši reikšmė vadinama cheminės reakcijos greičio γ temperatūros koeficientu). Kiekvienai reakcijai nustatoma tiksli temperatūros koeficiento reikšmė.
čia v yra cheminės reakcijos greitis,
C A Ir C B — atitinkamai A ir B medžiagų koncentracijos, mol/l
k – proporcingumo koeficientas, reakcijos greičio konstanta.
Pavyzdžiui, amoniako susidarymo reakcijai:
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3
Masinių veiksmų dėsnis atrodo taip:
- tai cheminės medžiagos, dalyvaujančios cheminėje reakcijoje, keičiančios jos greitį ir kryptį, bet nevartotinas vykstant reakcijai (reakcijai pasibaigus, jos nesikeičia nei kiekiu, nei sudėtimi). Apytikslis A + B tipo reakcijos katalizatoriaus veikimo mechanizmas gali būti pasirinktas taip:
A+K=AK
AK + B = AB + K
Reakcijos greičio keitimo procesas sąveikaujant su katalizatoriumi vadinamas katalizė. Katalizatoriai plačiai naudojami pramonėje, kai reikia padidinti reakcijos greitį arba nukreipti ją tam tikru keliu.
Pagal katalizatoriaus fazės būseną išskiriama homogeninė ir nevienalytė katalizė.
Homogeninė katalizė – tai kai reagentai ir katalizatorius yra toje pačioje fazėje (dujos, tirpalas). Tipiški homogeniniai katalizatoriai yra rūgštys ir bazės. organiniai aminai ir kt.
Heterogeninė katalizė - tai yra tada, kai reagentai ir katalizatorius yra skirtingose fazėse. Paprastai heterogeniniai katalizatoriai yra kietos medžiagos. Nes sąveika tokiuose katalizatoriuose vyksta tik medžiagos paviršiuje; svarbus reikalavimas katalizatoriams yra didelis paviršiaus plotas. Heterogeniniai katalizatoriai pasižymi dideliu poringumu, dėl kurio padidėja katalizatoriaus paviršiaus plotas. Taigi bendras kai kurių katalizatorių paviršiaus plotas kartais siekia 500 kvadratinių metrų 1 g katalizatoriaus. Didelis plotas ir poringumas užtikrina efektyvią sąveiką su reagentais. Heterogeniniams katalizatoriams priskiriami metalai, ceolitai – aliumosilikatų grupės kristaliniai mineralai (silicio ir aliuminio junginiai) ir kt.
Pavyzdys heterogeninė katalizė - amoniako sintezė:
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3
Akyta geležis su Al 2 O 3 ir K 2 O priemaišomis naudojama kaip katalizatorius.
Pats katalizatorius cheminės reakcijos metu nesunaudojamas, tačiau ant katalizatoriaus paviršiaus kaupiasi kitos medžiagos, kurios suriša aktyvius katalizatoriaus centrus ir blokuoja jo veikimą ( kataliziniai nuodai). Jie turi būti reguliariai šalinami regeneruojant katalizatorių.
Biocheminėse reakcijose katalizatoriai yra labai veiksmingi - fermentai. Fermentiniai katalizatoriai veikia labai efektyviai ir selektyviai, su 100 % selektyvumu. Deja, fermentai yra labai jautrūs padidėjusiai temperatūrai, aplinkos rūgštingumui ir kitiems veiksniams, todėl pramoniniu mastu fermentinės katalizacijos procesus įgyvendinant yra nemažai apribojimų.
Katalizatoriai neturėtų būti painiojami su iniciatoriai procesas ir inhibitoriai. Pavyzdžiui, radikaliai metano chlorinimo reakcijai inicijuoti būtinas ultravioletinis švitinimas. Tai nėra katalizatorius. Kai kurias radikalines reakcijas inicijuoja peroksido radikalai. Tai taip pat nėra katalizatoriai.
Inhibitoriai– Tai medžiagos, lėtinančios cheminę reakciją. Inhibitorius galima vartoti ir dalyvauti cheminėje reakcijoje. Šiuo atveju inhibitoriai nėra katalizatoriai, priešingai. Atvirkštinė katalizė iš esmės neįmanoma – reakcija bet kokiu atveju bandys eiti greičiausiu keliu.
5. Reaguojančių medžiagų sąlyčio sritis. Heterogeninių reakcijų atveju vienas iš būdų padidinti efektyvių susidūrimų skaičių yra padidinti reakcijos paviršiaus plotas . Kuo didesnis reaguojančių fazių kontaktinio paviršiaus plotas, tuo didesnis nevienalytės cheminės reakcijos greitis. Cinko milteliai rūgštyje tirpsta daug greičiau nei tos pačios masės granuliuotas cinkas.
Pramonėje, norėdami padidinti reaguojančių medžiagų kontaktinio paviršiaus plotą, jie naudoja verdančiojo sluoksnio metodas. Pavyzdžiui, gaminant sieros rūgštį verdančio asilo metodu, kūrenami piritai.
6. Reagentų prigimtis . Cheminių reakcijų greičiui, kitiems dalykams esant vienodai, įtakos turi ir cheminės savybės, t.y. reaguojančių medžiagų pobūdis. Mažiau aktyvių medžiagų turės didesnį aktyvacijos barjerą ir reaguos lėčiau nei aktyvesnės medžiagos. Aktyvesnės medžiagos turi mažesnę aktyvinimo energiją, daug lengviau ir dažniau patenka į chemines reakcijas.
Esant mažoms aktyvavimo energijoms (mažiau nei 40 kJ/mol), reakcija vyksta labai greitai ir lengvai. Didelė dalelių susidūrimų dalis baigiasi chemine transformacija. Pavyzdžiui, jonų mainų reakcijos normaliomis sąlygomis vyksta labai greitai.
Esant didelei aktyvavimo energijai (daugiau nei 120 kJ/mol), tik nedidelis susidūrimų skaičius sukelia cheminę transformaciją. Tokių reakcijų greitis yra nereikšmingas. Pavyzdžiui, azotas normaliomis sąlygomis praktiškai nesąveikauja su deguonimi.
Esant vidutinei aktyvacijos energijai (nuo 40 iki 120 kJ/mol), reakcijos greitis bus vidutinis. Tokios reakcijos pasireiškia ir įprastomis sąlygomis, bet ne itin greitai, kad būtų galima stebėti plika akimi. Tokios reakcijos apima natrio sąveiką su vandeniu, geležies sąveiką su druskos rūgštimi ir kt.
Medžiagos, kurios normaliomis sąlygomis yra stabilios, paprastai turi didelę aktyvinimo energiją.