Катализ. Продукты реакции могут получиться лишь при условии образования промежуточной конфигурации, называемой активированным комплексом

Продукты реакции могут получиться лишь при условии образования промежуточной конфигурации, называемой активированным комплексом. Эта конфигурация состоит из атомов реагентов, но в ней старые связи еще не целиком разрушились, а новые не успели полностью образоваться.

Покажем схематически механизм данного процесса на примере бимолекулярной реакции, протекающей между двухатомными молекулами по схеме:

АВ + CD → AC + BD

В результате столкновения молекул реагентов связи между атомами в них значительно ослабляются, и происходит образование промежуточного неустойчивого соединения, состоящего из четырех атомов, которое затем распадается с образованием двух новых молекул.

A − B A∙∙∙∙B A B

+ → :: → | + |

C – D C∙∙∙∙D C D

Активированный

комплекс

На образование активированного комплекса необходимо затратить энергию. Величина ее и равняется энергии активации. Конфигурация активированного комплекса и его свойства для большинства химических реакций неизвестны. Несмотря на это, с помощью приближенных квантовомеханических расчетов можно получить качественные результаты, помогающие понять закономерности протекания многих химических явлений.

На рис. 43 представлены энергетические диаграммы эндотермической (а) и экзотермической (б) реакций, поясняющие вышесказанные представления. Здесь по горизонтали отложен ход процесса, а по вертикали – энергия рассматриваемой совокупности веществ; и – энергии активации, соответственно, прямой и обратной реакций. Из рис. 43 следует, что тепловой эффект химической реакции определяется не только энергетическим состоянием исходных и конечных веществ, но и разностью энергий активации прямой и обратной реакций.

Кроме того, независимо от направления процесса при переходе из начального состояния в конечное система должна преодолеть энергетический барьер, равный энергии активации.

Рис. 43. Изменение энергии реагирующей системы (схема):
а – эндотермическая реакция, б – экзотермическая реакция

Энергию активации химической реакции можно определить экспериментально на основании уравнения Аррениуса для константы скорости, записанного в логарифмической форме:

lg k = -∙+ lg A

Оно представляет собой уравнение прямой в координатах
lg k и 1/Т (рис. 44). Для ее построения необходимо опытным путем определить несколько значений k при разных температурах Т. Тангенс угла наклона прямой равен и дает возможность найти величину Е_а.

Рис. 44. Графическое определение энергии активации

Величину Е_а можно рассчитать и теоретически, зная значения констант скоростей химической реакции k₁ и k₂ при двух разных температурах Т₁ и Т₂, с помощью уравнения

lg = -∙ (– )

Оно получено из уравнений Аррениуса для константы скорости химической реакции (в логарифмической форме), записанных для двух разных температур Т₁ и Т₂, путем их вычитания.

Как уже было показано ранее (рис. 41б), влияние температуры на скорость биохимических реакций носит более сложный характер. Сперва, с повышением температуры, их скорость увеличивается, но до определенного температурного предела (~315 К), при превышении которого происходит резкое уменьшение скорости.

Как правило, многие биохимические процессы протекают с участием ферментов, имеющих белковую природу. Если проследить зависимость активности любого фермента от температуры (рис. 45), то можно заметить аналогичную закономерность, как и со скоростью биохимической реакции. Наибольшей активностью ферменты обладают при температуре 312-315К. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому снижению их активности. Очевидно, это связано с процессом денатурации белковых молекул, протекающим при Т > 315К. При этом происходит нарушение третичной и четвертичной (для сложных белков) структур, вследствие чего ферменты теряют свою активность, и скорость биохимических процессов замедляется. Наиболее оптимальные условия в организме человека для протекания биохимических процессов лежат в достаточно узком температурном интервале 308-311К. При этих условиях большинство ферментов обладают высокой активностью, а вероятность протекания процессов денатурации их молекул мала.

Рис. 45. Активность фермента трипсина в различных организмах от температуры: 1 – собака, 2 – окунь, 3 – треска

В животном мире наблюдаются отступления от этого правила. Так, температура тела некоторых певчих птиц равна 318K. В горячих источниках острова Цейлон при температуре 323K живут и размножаются некоторые виды рыб. Самые жизнестойкие организмы можно найти в мире бактерий. Некоторые из них способны вести нормальную жизнь даже при температуре выше 373K (100^оС).