Обратимые и необратимые реакции

Тема. Классификация химических реакций.

Каталитические реакции.

Гомогенный и гетерогенный катализ. Механизмы действия катализаторов на скорость химических реакций.

Для химического взаимодействия недостаточно столкновение молекул. При этом необходимо достижение уровня энергии, называемой энергией активации. Допустим, существует реакция:

А + В = А...В=АВ

идёт медленно, так как Е_акт велика. И есть К – катализатор, ускоряющий её протекание:

а) А + К = А…К = АК

б) В + АК = В…А…К = АВ + К

в итоге: А + В = АВ.

Таким образом, катализатор активно, за счёт химических связей участвует в элементарном акте реакции. Он образует либо промежуточное соединение с одним из участников реакции, либо активированный комплекс со всеми реагирующими веществами. После каждого химического акта он регенирируется и может вступать во взаимодействие с новыми молекулами реагирующих веществ.

Основная причина ускорения реакции при действии катализатора в том, что химические взаимодействия, в которых при катализе участвует промежуточный продукт(АК), требует меньшей энергии активации, чем взаимодействие веществ А и В.

Гомогенный катализ

Гомогенный – это такой катализ, когда катализатор и все реагирующие вещества находятся в одной фазе.

Главным положением гомогенного катализа является представление о том, что в ходе реакции образуются неустойчивые промежуточные соединения катализатора с реагирующими веществами, которые затем распадаются с регенерацией катализатора.

А + В + К → А…В…К → Д + К

Данная каталитическая реакция чаще всего протекает в две стадии:

1) A + K ↔ AK

2) AK + B → D +K

Примером гомогенной каталитической реакции является разложение ацетальдегида, которое катализируется йодом:

CH ₃CHO → CH₄ +CO

Эта реакция протекает в две стадии:

• CH ₃ СНО +J₂ ® CH ₃J +HJ +CO
• CH ₃J +HJ ® CH ₄ +J₂

В ходе данного процесса катализатор образует два промежуточных соединения, которые затем взаимодействуют друг с другом, регенерируя катализатор. В отсутствие паров йода Е _акт =191 кДж/моль, при их присутствии Е _акт = 136 кДж/моль.

Гетерогенный катализ.

Гетерогенный катализ – это катализ, при котором катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах.

При гетерогенном катализе реакция протекает через активные промежуточные соединения, которые представляют поверхностные соединения катализатора с реагирующими веществами. Далее происходит следующее:

А) Адсорбция, т.е. поглощение молекул реагирующих веществ пористой поверхностью катализатора.

Б) Реакция на поверхности катализатора с образованием активных частиц.

В) Десорбция продуктов.

Активность катализатора зависит от размера, строения и чистоты поверхности катализатора.

Особый класс катализаторов – это ферменты. Как и все белки, ферменты построены из аминокислот. Порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи и их число характерны для каждого данного фермента. Он обуславливает первичную структуру белковой молекулы. Полипептидная цепь, свёрнута в виде спирали, форма которой определяет вторичную структуру молекулы белка – фермента. Большинство ферментов имеют третичную структуру, а некоторые – четвертичную.

Часть молекулы фермента, принимающая непосредственное участие в процессе катализа, называется каталитическим участком. Кроме того, на поверхности фермента имеется особый участок, к которому прикрепляется субстрат, так называемая контактная площадка. Каталитический участок и контактная площадка образуют активный центр фермента. Высокая специфичность действия фермента связана с особенностями структуры их активных центров – она идеально соответствует строению субстрата.

Каталитический процесс происходит благодаря согласованному действию всех функциональных групп активного центра. В ходе ферментативной реакции происходит образование промежуточного фермент-субстратного (ЕS) комплекса. Субстрат входит в активный центр, только если он соответствует его форме. В 1890 году Эмиль Фишер сравнил процесс образования комплекса с ключом и замком.

Сейчас химикам известно более 2000 ферментов. Все они обладают рядом специфических свойств, отличающих их от неорганических катализаторов.

Размер молекул. Молекулярная масса белков колеблется в пределах от 10⁵ до 10⁷, а это значит, что по своему размеру молекулы ферментов попадают в разряд коллоидных частиц. Это не позволяет отнести их ни к гомогенным, ни к гетерогенным катализаторам. Поэтому ферменты относят к особому классу катализаторов.

Селективность ( специфичность)

Каждый фермент ускоряет только одну какую – либо реакцию или группу однотипных реакций. Избирательность позволяет организму быстро и точно выполнить синтез нужных ему соединений.

Эффективность

Скорость ферментативных реакций в 10¹⁵ раз больше скорости неферментативных реакций. Молекулы ферментов очень быстро восстанавливаются (регенерируют). Типичная молекула фермента может регенерировать миллионы раз за минуту.

Например, за одну секунду при температуре, близкой к точке замерзания воды, одна молекула каталазы разлагает 50000 молекул пероксида водорода. Этот катализатор снижает энергию активации от 75 кДж/моль до 21 кДж/моль. Если для ускорения этой реакции применяется платина, то энергия активации понижается до 50 кДж/моль.

Обратимые и необратимые реакции.

Существуют химические реакции, которые протекают только в одном направлении - в сторону образования продуктов реакции. Такие реакции называются необратимыми.

- Необратимые химические реакции при данных условиях самопроизвольно протекают только в одном направлении, при этом получившиеся продукты реакции не взаимодействуют друг с другом с образованием исходных веществ.

- Именно по этой причине необратимые реакции заканчиваются либо полным расходованием всех исходных веществ (если они взяты в стехиометрическом соотношении), либо расходованием одного из них, находящегося в недостаточном количестве (если исходные вещества взяты в нестехиометрическом соотношении, одно из веществ взято в избытке).

- Необратимыми являются реакции, которые сопровождаются выделением (или поглощением) большого количества теплоты (тепловой энергии).

- Также необратимыми могут быть реакции, при протекании которых один из продуктов реакции удаляется из сферы реакции. Это особенно характерно для реакций обмена между реагирующими веществами, находящимися в растворённом состоянии (согласно правилу Бертолле).