IV . Влияние катализаторов и ингибиторов

Катализом называется явление ускорения химических реакций, благодаря присутствию некоторых веществ, а ингибированием – замедления реакций.

Вещества, которые ускоряют химические реакции, активно участвуют в них, но сами при этом не расходуются, называются катализаторами (Kt)

Вещества, которые замедляют реакцию, называются ингибиторами (Ing) в ходе реакции они расходуются.

Общие закономерности протекания каталитических реакций:

1. К t снижает энергию активации процесса, за счет образования промежуточного комплекса (см. рис.2)

     К t

А + В → C + D

A + Kt → A К t

А Kt – комплекс одного из веществ с катализатором.

Akt + B → AB + Kt

2. Катализатор не оказывает влияние на равновесие и на константу равновесия (К_равн), но ускоряет время его наступления.

3.   Катализаторы селективны, т.е. избирательны. Применяя различные катализаторы, можно получить различные продукты:

     К t -Al2O3   C₂H₅OH → CH₂=CH₂ + H₂O

     К t - Cu          C₂H₅OH → CH₃C(O)H + H₂

    Катализ бывает трех видов:

1. Гомогенный  катализ – реагирующие вещества и К t  находятся в одной фазе (газ – газ; жидкость – жидкость)

     К t – NO     2SO₂ + O₂ → 2SO₃

 скорость реакции пропорциональна концентрации К t.

 

2.   Гетерогенный катализ – катализатор и вещество находятся в разных фазах (газ – твердое; жидкость – твердое; жидкость – газ).

К t – V₂O₅    2SO₂ + O₂ → 2SO₃

Скорость пропорциональна поверхности катализатора.

Особенности гетерогенного катализа.

1). К t имеют активные центры (АЦ), обладающие повышенной энергией

     АЦ обладают разной энергией.

2). Реагирующие вещества адсорбируются на них, при этом протекает  химическая реакция.

3). Вещества, снижающие активность К t   называются каталитическими ядами (S, As, Hg).  При содержании 1 ∙10^-3% они блокируют самые активные центры.

4). Вещества, усиливающие действие К t – называются промоторами

(Fe, Al, Pt) При содержании 1 ∙10^-3% они создают новые активные центры.

Более 80% всех промышленных процессов протекает в присутствие катализаторов. Современная химия – это поиск новых, эффективных катализаторов

Ферментативный катализ

    Все биохимические процессы в живой природе проходят с участием ферментов (Ф).

Ф – катализаторы белковой природы. В настоящее время известно порядка 2000 ферментов, которые классифицируют по типу катализируемой реакции.

Особенности ферментативного катализа:

1. Строение ферментов. Он состоит из третичной структуры белка – глобулы, и имеет один активный центр, который занимает небольшую часть молекулы.

2. Высокая специфичность. Один фермент катализирует превращение одного вещества или одного типа реакций.

3. Принцип структурного соответствия – фермент – субстрат: «ключ и замок», «рука и перчатка» (рис.3)

4. Ферменты, осуществляют превращения в несколько стадий с низкими энергиями активации.

5. Ферменты работают при обычном давлении и низких температурах.

6. Высокая эффективность. Скорость ферментативной реакции в 10³ – 10¹² степени раз больше скорости обычных реакций.

Пример:

H₂O₂ → H₂O + O

Ф – каталаза за минуту расщепляет 5 миллионов молекул.

7. Работа фермента зависит от рН среды

Сельскохозяйственные  продукты хранят при пониженных температурах, так как охлаждение замедляет нежелательные ферментативные процессы.

    Химическое равновесие. Принцип Ле –Шателье

Химические реакции можно разделить на две группы:

1. Необратимые (получаются: осадок, газ, вода, слабый электролит)

2. Обратимые – реакции, которые могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

SO₂ + H₂O <=> H₂SO₃

Рассмотрим обратимую реакцию:

aA +bB <=> cC + dD

Пусть: V₁ – скорость прямой реакции;

       V₂ – скорость обратной реакции

Скорости прямой и обратной реакций связаны с концентрациями реагентов следующими уравнениями: 

           V₁ = k₁ [ A ] ^a × [ B ] ^b          и V₂ = k₂ [ C ] ^c × [ D ] ^d

[ ] – равновесная концентрация реагентов.

С течением времени скорость прямой реакции будет уменьшаться вследствие расхода реагентов   А и В и понижения их концентраций. Напротив, скорость обратной реакции по мере накопления продуктов С и D будет возрастать. Поэтому через некоторый промежуток времени скорости прямой и обратной реакций сравняются друг с другом (рис.4).