Якщо реакція протікає зі зменшенням числа молекул (наприклад, синтез ам он іаку із азоту і водню), тоді підвищення тиску сприяє реакції, а зменшення тиску протидіє їй.

Каталітичні реакції. Гомогенний та гетерогенний каталіз.

Ферментативний каталіз

Збільшити швидкість реакції можна за допомогою каталізаторів.     Каталізаторами називають речовини, які впливають на швидкість реак-ції, але самі не витрачаються в результаті її проходження. У більшості ви-падків каталізатором називають речовину, що прискорює швидкість ре-акції. Речовини, які уповільнюють швидкість реакції, називають інгібіторами. Явище зміни швидкості реакції під впливом каталізаторів називається каталізом. Розрізняють гомогенний та гетерогенний каталіз. У випадку гомогенного каталізу реагуючі речовини і каталізатор утворюють однофазну систему – газову чи рідинну. У цьому випадку між каталізатором і реагуючими речовинами відсутня поверхня розділу. Прикладом гомогенного каталізу може слугувати каталітичне окиснення SO₂ до SO₃ у присутності каталізатора – нітроген(ІІ) оксиду.

Механізм гомогенного каталізу звичайно пояснюють за допомогою теорії проміжних сполук. У відповідності з цією теорією каталізатор (К) спочатку утворює з однією із вихідних речовин проміжну сполуку (АК). Ця сполука реагує з іншою вихідною речовиною з відновленням каталізатора. Схематично це можна зобразити таким чином:

А + Б ® АБ (реакція протікає повільно).                     (а)

Каталізатор розбиває процес на дві стадії:

 А + К ® АК (реакція протікає швидко).                      (б)

АК + Б ® АБ + К (реакція протікає швидко).              (в)

Швидкості реакцій (б) і (в) у багато разів більші від швидкостей процесу (а), оскільки стадії (б) і (в) характеризуються меншою енергією активації. Таким чином, причина збільшення швидкості реакції в присутності каталізатора полягає у зменшенні енергії активації цієї реакції.

У відповідності з цією теорією процес окиснення SO₂ до SO₃ за участю каталізатора – нітроген(ІІ) оксиду можна схематично зобразити таким чином:

SO₂ + О₂ ® SO₃;

А   +  Б   ®  АБ.

Реакція протікає повільно. При введенні каталізатора відбувається утворення проміжної сполуки:

NO + О2 ® NO2;	SO2 + NO2 ® SO3 + NO;
К + Б ® КБ;	А + КБ ® АБ + К.

Процеси гомогенного каталізу особливо важливі у біохімічних процесах, оскільки життєдіяльність будь-яких організмів залежить від швидкості переробки продуктів харчування в речовини, які необхідні для розвитку та функціонування організмів.

Практично усі біохімічні реакції рослин і тварин мають каталітичний характер. Функцію каталізаторів цих біохімічних реакцій виконують речовини білкової природи, що виробляються клітинами живих організмів – ферменти. Ферменти є речовинами білкового походження. Деякі з них складаються з одного компонента (пепсин, трипсин), але більшість фер-ментів мають складну будову. Ферменти – це іоноорганічні сполуки. Ак-тивними каталітичними центрами в них є іони d-елементів (Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, V³⁺) або полярні групи (HS^-, OH^- тощо).

Основними особливостями ферментів є винятково висока каталітична активність та хімічна специфічність. Наприклад, окисно-відновні реакції в організмі людини та тварин за участю ферментів, які містять ферум(II)-іони, протікають у десятки тисяч разів швидше, ніж шляхом неорганічного каталізу. Кожний фермент прискорює перебіг одного процесу: пепсин (міститься у шлунку) каталізує розщеплення білків на амінокислоти; амілаза (міститься у слині) – перетворення крохмалю на цукор; уреаза – спричиняє каталітичне розщеплення сечовини на СО₂ та NH₃.

Регуляція обміну речовин на клітинному рівні відбувається шляхом регуляції швидкості синтезу, концентрації і каталітичної активності ферментів, яка здійснюється за участю генів.

Слід відзначити дві характерні особливості ферментів у порівнянні зі звичайними каталізаторами, що використовуються у хімічній техніці:     1) вони виявляють каталітичну активність у доволі м’яких умовах температур, тиску і кислотності середовища; 2) мають високу специфічність, тобто вибірково прискорюють лише визначені біохімічні реакції.

Прискорення біохімічного перетворення, яке досягається за допомогою ферментів, надзвичайно велике. Так, наприклад, 1 моль фермента каталази при 273 К здатний забезпечити розклад за 1 хвилину 5 млн молекул гідроген пероксиду (процес вельми важливий для захисту живих організмів від шкідливої дії H₂O₂, що утворюється в клітинах на певній стадії метаболізму). Для порівняння слід вказати, що, наприклад, 1 моль колоїдної платини, яка також використовується як каталізатор для цієї реакції, встигає за 1 хвилину викликати розклад лише 250-2000 молекул H₂O₂.

Зараз відомо близько 2000 різних ферментів, приблизно для половини з них знайдено шляхи часткового очищення і концентрування, а близько 150 ферментів вдалось виділити у чистому вигляді. В клітинах живих організмів частина ферментів знаходиться в розчиненому вигляді в цито- плазмі, а інша локалізована в структурованих елементах клітин. Для того щоб клітина живого організму могла здійснювати всі властиві їй функції, необхідна сумісна дія декількох тисяч різних ферментів.

Каталітична активність ферментів значною мірою залежить від кислот-ності чи рН середовища. Концентрація гідроген-іонів, при якій швидкість ферментативної реакції максимальна, називається оптимальною чи оптимумом рН. Для більшості ферментів оптимум рН знаходиться в межах від 4 до 10.

Залежність швидкості ферментативних реакцій від температури проявляється таким чином, як і у випадку реакцій, що належать до неживої природи. Більшість ферментів виявляють каталітичну активність в порівняно вузькому інтервалі температур від 283 до 333 К. При більш високій температурі починає руйнуватись білкова основа ферменту; при більш низькій – перебіг ферментативної реакції ускладнюється у зв’язку зі збільшенням в’язкості клітинних і міжклітинних рідин.

У разі гетерогенного каталізу реагуючі речовини і каталізатор утво-рюють систему із різних фаз. У цьому випадку між каталізатором і реагу-ючими речовинами існує поверхня розділу. Звичайно, каталізатор є твердою речовиною, а реагуючі речовини – рідинами чи газоподібними речовинами. Прикладом гетерогенного каталізу може слугувати окиснення амоніаку (газоподібна фаза) в присутності платини (тверда фаза). Всі реак-ції у випадку гетерогенного каталізу перебігають на поверхні каталізатора. Тому активність твердого каталізатора залежить від властивостей його поверхні: її величини, хімічного складу, будови і стану.

У гетерогенному каталізі наявність поверхні розділу фаз обумовлює поглинання реагуючих речовин твердими тілами. Це явище одержало загальну назву сорбції. Сорбція включає процеси абсорбції та адсорбції. При абсорбції поглинання речовин відбувається у всьому об’ємі сорбенту; при адсорбції – поверхнею твердого тіла.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: