1. Понятие скорости реакции для гомогенных и гетерогенных систем

Ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции из­ме­ря­ет­ся из­ме­не­ни­ем ко­ли­че­ства ве­ще­ства од­но­го из ре­а­ген­тов или про­дук­тов ре­ак­ции в еди­ни­цу вре­ме­ни в еди­ни­цу объ­ё­ма для го­мо­ген­ных си­стем или на еди­ни­цу по­верх­но­сти для ге­те­ро­ген­ных си­стем.

Для го­мо­ген­ных си­стем, для ко­то­рых ре­ак­ция про­ис­хо­дит во всем объ­ё­ме си­сте­мы, ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции опре­де­ля­ет­ся сле­ду­ю­щим урав­не­ни­ем:

ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции

– из­ме­не­ние ко­ли­че­ства ве­ще­ства

V – объём си­сте­мы

– ин­тер­вал вре­ме­ни, в ко­то­ром опре­де­ля­ют ско­рость ре­ак­ции

От­но­ше­ние ± ∆n / V – это мо­ляр­ная кон­цен­тра­ция ве­ще­ства. И тогда ± ∆с .  Для го­мо­ген­ных си­стем ско­рость ре­ак­ции вы­ра­жа­ет­ся в    

Для ге­те­ро­ген­ных си­стем, в ко­то­рых ре­ак­ция про­те­ка­ет на гра­ни­це раз­де­ла фаз,  урав­не­ние для опре­де­ле­ния ско­ро­сти хи­ми­че­ской ре­ак­ции будет такое:

S – Пло­щадь по­верх­но­сти раз­де­ла фаз, на ко­то­рой идет хи­ми­че­ская ре­ак­ция.

Ско­рость ре­ак­ции – ве­ли­чи­на по­ло­жи­тель­ная, по­это­му знак ± перед фор­му­лой дает воз­мож­ность вы­бо­ра. Ста­вит­ся (+), если ско­рость ре­ак­ции опре­де­ля­ет­ся по из­ме­не­нию ко­ли­че­ства про­дук­та ре­ак­ции.

Ста­вит­ся (-), если ско­рость ре­ак­ции опре­де­ля­ет­ся по из­ме­не­нию ко­ли­че­ства ис­ход­но­го ве­ще­ства.

Для ге­те­ро­ген­ных си­стем ско­рость ре­ак­ции вы­ра­жа­ет­ся в 

Раз­дел химии, в ко­то­ром изу­ча­ют­ся ско­ро­сти хи­ми­че­ских ре­ак­ций, на­зы­ва­ет­ся хи­ми­че­ской ки­не­ти­кой.

Хи­ми­че­ская ре­ак­ция про­ис­хо­дит в ре­зуль­та­те столк­но­ве­ния ча­стиц ре­а­ги­ру­ю­щих ве­ществ. Но не вся­кое столк­но­ве­ние ча­стиц при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию про­дук­тов ре­ак­ции. Если при столк­но­ве­нии ча­сти­цы не об­ла­да­ют до­ста­точ­ной энер­ги­ей, то столк­но­ве­ние будет неэф­фек­тив­ным. Такое столк­но­ве­ние на­зы­ва­ют упру­гим. Оно по­доб­но столк­но­ве­нию би­льярд­ных шаров. Если энер­гия ча­стиц будет до­ста­точ­но вы­со­ка, то столк­но­ве­ние будет эф­фек­тив­ным, и про­изой­дёт хи­ми­че­ская ре­ак­ция. В неко­то­рых слу­ча­ях (ре­ак­ция рас­па­да) не тре­бу­ет­ся вза­и­мо­дей­ствия ча­стиц, но для их про­хож­де­ния также нужна опре­де­лён­ная энер­гия.

2. Факторы, влияющие на скорость химической реакции

·    Тем­пе­ра­ту­ра.

Пра­ви­ло Вант-Гоф­фа. При уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры на каж­дые 10 гра­ду­сов, ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции уве­ли­чи­ва­ет­ся в 2-4 раза. Это пра­ви­ло можно за­пи­сать в виде урав­не­ния таким об­ра­зом:

,

 

где Т₂

– ско­рость ре­ак­ции при тем­пе­ра­ту­ре Т₁

тем­пе­ра­тур­ный ко­эф­фи­ци­ент ре­ак­ции, ко­то­рый по­ка­зы­ва­ет, во сколь­ко раз воз­рас­та­ет ско­рость ре­ак­ции при уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры на 10 гра­ду­сов.

Но при этом урав­не­ние Вант-Гоф­фа верно не во всех слу­ча­ях. Оно не со­блю­да­ет­ся в слу­чае вы­со­ких тем­пе­ра­тур, в слу­чае очень быст­рых или очень мед­лен­ных ре­ак­ций.

Вто­рой па­ра­метр, от ко­то­ро­го за­ви­сит ско­рость хи­ми­че­ских ре­ак­ций –

·    Ко­ли­че­ство ре­а­ги­ру­ю­щих ве­ществ.

Для го­мо­ген­ных ре­ак­ций, при уве­ли­че­нии кон­цен­тра­ции ре­а­ги­ру­ю­щих ве­ществ ско­рость ре­ак­ции воз­рас­та­ет, по­то­му что с уве­ли­че­ни­ем кон­цен­тра­ции ре­а­ген­тов воз­рас­та­ет число ча­стиц ре­а­ги­ру­ю­щих ве­ществ в еди­ни­це объ­ё­ма, а сле­до­ва­тель­но, уве­ли­чи­ва­ет­ся число столк­но­ве­ний между ними.

Для ге­те­ро­ген­ных ре­ак­ций, ко­то­рые про­хо­дят на по­верх­но­сти раз­де­ла фаз, на ско­рость ре­ак­ции ока­зы­ва­ет вли­я­ние

·    Пло­щадь ре­ак­ци­он­ной по­верх­но­сти. Чем выше пло­щадь, тем выше ско­рость ре­ак­ции.

В слу­чае твер­дых ве­ществ, уве­ли­че­ние по­верх­но­сти до­сти­га­ет­ся за счет уве­ли­че­ния из­мель­че­ния ве­ще­ства.

Рис. 1. Гра­фик за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти от кон­цен­тра­ции

Так как по мере про­хож­де­ния ре­ак­ции, ис­ход­ные ве­ще­ства рас­хо­ду­ют­ся, т. е. их кон­цен­тра­ция умень­ша­ет­ся, то в боль­шин­стве слу­ча­ев ско­рость ре­ак­ции по­сте­пен­но сни­жа­ет­ся, как это можно ви­деть на гра­фи­ке рис. 1. По­это­му обыч­но вы­чис­ля­ют сред­нюю ско­рость ре­ак­ции в опре­де­лен­ном вре­мен­ном ин­тер­ва­ле.

Ско­рость од­но­тип­ных ре­ак­ций за­ви­сит:

·    От участ­ву­ю­щих в ней ве­ществ. На­при­мер, ще­лоч­ные ме­тал­лы с раз­ной ско­ро­стью ре­а­ги­ру­ют с водой. Ак­тив­ность ще­лоч­ных ме­тал­лов уве­ли­чи­ва­ет­ся в груп­пе свер­ху вниз. По­это­му и ско­рость ре­ак­ции, и ко­ли­че­ство вы­де­ля­ю­щей­ся при этом теп­ло­ты будет уве­ли­чи­вать­ся так же.

Рис. 2.  Вза­и­мо­дей­ствие калия с водой

Мно­гие хи­ми­че­ские про­цес­сы идут толь­ко при уча­стии неко­то­рых ве­ществ, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся ка­та­ли­за­то­ра­ми.

·    Ка­та­ли­за­то­ры – это ве­ще­ства, ко­то­рые уско­ря­ют хи­ми­че­ские ре­ак­ции, ак­тив­но участ­ву­ют в них, но сами в итоге не рас­хо­ду­ют­ся. Ре­ак­ции, иду­щие под дей­стви­ем ка­та­ли­за­то­ров, на­зы­ва­ют ка­та­ли­ти­че­ски­ми.

·    Ин­ги­би­то­ры – это ве­ще­ства, ко­то­рые за­мед­ля­ют ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции.

Яв­ле­ние уско­ре­ния хи­ми­че­ской ре­ак­ции на­зы­ва­ет­ся ка­та­ли­зом, а за­мед­ле­ния – ин­ги­би­ро­ва­ни­ем.

Ка­та­лиз на­зы­ва­ет­ся го­мо­ген­ным, если ка­та­ли­за­тор на­хо­дит­ся в одном аг­ре­гат­ном со­сто­я­нии с ре­а­ги­ру­ю­щи­ми ве­ще­ства­ми. При­ме­ра­ми го­мо­ген­но­го ка­та­ли­за яв­ля­ет­ся ре­ак­ция окис­ле­ния СО (в га­зо­вой фазе в при­сут­ствии паров воды) и Н₂SО₃ (в рас­тво­ре в при­сут­ствии ок­си­дов азота) кис­ло­ро­дом, а также дей­ствие раз­но­об­раз­ных фер­мен­тов в био­ло­ги­че­ских про­цес­сах. Го­мо­ген­ные ка­та­ли­за­то­ры при­ме­ня­ют­ся срав­ни­тель­но редко, по­то­му что после про­ве­де­ния ре­ак­ции нужно от­де­лить ка­та­ли­за­то­ры от про­дук­тов ре­ак­ции. И эта опе­ра­ция за­мет­но уве­ли­чи­ва­ет сто­и­мость всего про­цес­са.

Ге­те­ро­ген­ный ка­та­лиз – это вид ка­та­ли­за, при ко­то­ром ка­та­ли­за­тор об­ра­зу­ет са­мо­сто­я­тель­ную фазу, и ре­ак­ция идет на его по­верх­но­сти. В ге­те­ро­ген­ном ка­та­ли­зе часто ис­поль­зу­ют ме­тал­лы или ок­си­ды ме­тал­лов. Ге­те­ро­ген­но-ка­та­ли­ти­че­ски­ми яв­ля­ют­ся про­цес­сы син­те­за ам­ми­а­ка на же­лез­ном ка­та­ли­за­то­ре, окис­ле­ния SO₂ в SO₃ на пла­ти­но­вом или ва­на­ди­е­вом ка­та­ли­за­то­ре и др. Одним из наи­бо­лее неор­га­ни­че­ских ка­та­ли­за­то­ров яв­ля­ет­ся пла­ти­на, с по­мо­щью ко­то­рой можно про­ве­сти мно­гие ре­ак­ции. Но глав­ный недо­ста­ток пла­ти­ны – её очень вы­со­кая сто­и­мость. Ге­те­ро­ген­ный ка­та­лиз может быть уско­рен или ослаб­лен дей­стви­ем про­мо­то­ров или ка­та­ли­ти­че­ских ядов.

3. Ферменты, их роль в биохимическом процессе

Фер­мен­ты

Ка­та­ли­за­то­ра­ми в живых ор­га­низ­мах яв­ля­ют­ся фер­мен­ты. Они ка­та­ли­зи­ру­ют био­хи­ми­че­ские ре­ак­ции в ор­га­низ­ме. Наука о фер­мен­тах на­зы­ва­ет­ся эн­зи­мо­ло­гия. Фер­мен­ты яв­ля­ют­ся бел­ка­ми, но часто они со­дер­жат ор­га­ни­че­ские остат­ки небел­ко­вой при­ро­ды. Небел­ко­вую часть фер­мен­та на­зы­ва­ют ко­фер­мен­том или ко­эн­зи­мом. Фер­мен­ты от­ли­ча­ют­ся от неор­га­ни­че­ских ка­та­ли­за­то­ров тем, что

–   Об­ла­да­ют го­раз­до боль­шей ка­та­ли­ти­че­ской ак­тив­но­стью

–   Ра­бо­та­ют лишь в узком ин­тер­ва­ле РН среды

–   Ра­бо­та­ют лишь в узком ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур

Они спо­соб­ны уско­рять ре­ак­ции в 10¹⁴–10¹⁵ сте­пе­ни раз, и при этом они дей­ству­ют го­раз­до более из­би­ра­тель­но. Они могут ка­та­ли­зи­ро­вать толь­ко одну ре­ак­цию, даже если в ре­ак­ци­он­ной си­сте­ме на­хо­дят­ся ве­ще­ства очень близ­кой струк­ту­ры. Фер­мен­ты очень чув­стви­тель­ны к кис­лот­но­сти среды. Фер­мен­ты ра­бо­та­ют в узком ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур, близ­ком к тем­пе­ра­ту­ре на­ше­го тела. По­это­му во время бо­лез­ни очень опас­на очень вы­со­кая тем­пе­ра­ту­ра тела, ведь ка­та­ли­ти­че­ская ак­тив­ность фер­мен­тов зна­чи­тель­но умень­ша­ет­ся. Имен­но по­это­му во время бо­лез­ни, со­про­вож­да­ю­щей­ся вы­со­кой тем­пе­ра­ту­рой, не хо­чет­ся есть. Пе­ре­ва­ри­ва­ние пищи также свя­за­но с де­я­тель­но­стью фер­мен­тов.

Под­ве­де­ние итога

Была рас­смот­ре­на тема «Ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции». Были рас­смот­ре­ны фак­то­ры, вли­я­ю­щие на ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции, вве­де­но по­ня­тие ка­та­ли­за­то­ров, фер­мен­тов.