8.2) Экспериментальное определение энергии активации

Энергию активации можно определить, измерив константу скорости при двух температурах. Из уравнения Аррениуса следует:

Более точно энергию активации определяют по значениям константы скорости при нескольких температурах. Для этого уравнение записывают в логарифмической форме

и представляют зависимость константы скорости от температуры в координатах ln k – 1/T. Тангенс угла наклона полученной прямой равен –E_а/R.

Часто полезно использовать дифференциальную форму уравнения Аррениуса

8.3) Катализ (гомогенный, гетерогенный).

Катализ – процесс увеличения скорости реакции с помощью катализатора.

Катализаторы – вещества, увеличивающие скорость химической реакции, оставаясь в итоге неизменными по химическому составу и количеству.

Особенности катализатора

1) Ускоряют реакцию, присутствуя в очень малых количествах.

2) Избирательность действия, то есть катализаторы ускоряют одну реакцию и неэффективны для другой. Особенно это свойство проявляется в биологических катализаторов – ферментов.

3) Неизменность после реакции и возможность многократного использования.

4) Катализатор изменяет механизм реакции, направляет ее по такому пути, который характеризуется понижением Еа.

8.4) Автокатализ

Автокатализ — катализ химической реакции одним из её продуктов или исходных веществ.

Автокатализ — это уникальное явление, отличающееся от других видов катализа: строго говоря, он не является катализом в полном смысле слова, так как количество катализатора, по определению, не должно изменяться, а продукт (автокатализатор) в системе накапливается.

Элементарная схема автокатализа имеет вид: А + Р → 2Р

Тогда скорость прямой реакции выражается как: ,

где r – скорость реакции, [A], [P] – концентрации, k – константа скорости.

Если реакция происходит в закрытой системе, то сумма концентраций А и Р в любой момент времени постоянна и равна сумме начальных концентраций: [А] + [Р] = [А]о + [Р]о. Используя это соотношение,перепишем кинетическое уравнение следующим образом:

График – сигмоида, что является признаком каталитической реакции.

В открытой системе можно поддерживать концентрацию компонента A постоянной, добавляя его в реакционную среду. Тогда [А] = [А]о, и решение уравнения – экспоненциальная функция (t – время):

Скорость реакции и концентрация P будут расти, пока в систему поступает реагент A.

8.5) Ферментативный катализ

Ферментативными реакциями называются такие химические процессы в биологических системах, скорость которых регулируется веществами биологического происхождения. Это белковые молекулы, называемые ферментами или энзимами.

Ферментативный катализ играет огромную роль в жизнедеятельности организма. Широкое применение получили ферментные препараты при нарушениях функции желудочно-кишечного тракта, связанных с недостаточной выработкой пищеварительных ферментов (пепсин, панкреатин). При ожогах, гнойных ранах, гнойно-воспалительных заболеваниях легких, когда необходимо разрушить накопившиеся в большом количестве белковые образования, применяются протолитические ферменты, приводящие к быстрому гидролизу белков и способствующие рассасыванию гнойных скоплений. Для лечения инфекционных заболеваний используются препараты лизоцина, которые разрушают оболочку некоторых болезнетворных бактерий. Очень важные ферменты, которые рассасывают тромбы (сгустки крови внутри кровеносных сосудов) – плазмин, трипсин, химотрипсин, на их основе с разными добавками созданы различные лекарственные препараты – стрептокиназа, стрептаза, и т.п., широко применяемые в медицине.

Выделение ферментов в особый класс катализаторов обусловлено особыми свойствами этих веществ:

1) высокая специфичность;

2) эффективность действия;

3) биологические катализаторы образуются и разрушаются в процессе жизнедеятельности организма.

По своей каталитической активности биологические катализаторы в тысячи раз превышают неорганические. Специфичность действия связана с особенностями структуры фермента и субстрата. Одни части каталитической системы выполняют функции, главным образом связанные с пространственной организацией системы, другие в этой организационной системе осуществляют собственно катализ. Т.е., как и при неферментативном катализе, в каталитической реакции участвует не вся белковая молекула в целом, а лишь определенные ее участки – активные центры фермента.

Простейшая схема ферментативного катализа включает обратимое образование промежуточного комплекса фермента (Е) с реагирующим веществом (субстратом S) и разрушение этого комплекса с образованием продуктов реакции (Р):