10. Кинетика химических реакции. Закон действия масс.

(1) Учение о скорости и механизме химических реакций называют химической кинетикой. Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации одного из реагирующих веществ или одного из продуктов реакции в единицу времени при неизменном объеме системы.

При рассмотрении вопроса о скорости реакций необходимо различать гомогенные и гетерогенные реакции. Гомогенная реакция протекает во всем объеме системы, а гетерогенная реакция протекает на поверхности твердого вещества (фазы). Поэтому определения скорости гомогенной и гетерогенной реакций различны.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы:

где  v_гомог. – скорость гомогенной реакции, моль/л; n – количество вещества, моль;  V – объем системы, л; t – время; С – концентрация, моль/л.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы: где  S – площадь поверхности фазы.

Скорость химической реакции зависит от многих факторов.

(2) Основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ: скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

11. Гомогенный и гетерогенный катализ. Ферментативный катализ.

Увеличить скорость реакции можно с помощью катализаторов. Катализаторами называются вещества, изменяющие скорость химических реакций. Одни катализаторы сильно ускоряют реакцию — положительный катализ, или просто катализ, другие замедляют — отрицательный катализ. Различают гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный) катализ. При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему — газовую или жидкую. В этом случае между катализатором и реагирующими веществами отсутствует поверхность раздела. Примером гомогенного катализа может служить каталитическое окисление оксида серы (IV) оксидами азота. Механизм гомогенного катализа обычно объясняют с помощью теории промежуточных соединений. При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют систему из разных фаз. В этом случае между катализатором и реагирующими веществами существует поверхность раздела. Обычно катализатор является твердым веществом, а реагирующие вещества — газами или жидкостями. Например, разложение пероксида водорода (ждкая фаза) в присутствии угля или оксида марганца (IV) (твердая фаза). Все реакции при гетерогенном катализе протекают на поверхности катализатора. Поэтому активность твердого катализатора зависит от свойств его поверхности: ее величины, химического состава, строения и состояния. В гетерогенном катализе важнейшую роль играет адсорбция. Адсорбцией называют сгущение (концентрирование) газообразных или растворенных веществ на поверхности других веществ (твердых или жидких). Вещества, на поверхности которых происходит адсорбция, называют адсорбентами. Адсорбируемые вещества называют адсорбтивами.

(2) Особую роль играют биологические катализаторы — так называемые ферменты. При их участии протекают сложные химические процессы в растительных и животных организмах. Ферменты отличаются от других катализаторов особенно большой ускоряющей способностью, селективностью и весьма сложным молекулярным строением. Фермент обычно представляет собой клубок из больших белковых цепей — глобулу. В глобуле располагается активный центр, который часто содержит катион металла или водорода. Подошедшая из раствора к глобуле фермента молекула субстрата связывается и ориентируется ферментом так, чтобы активный центр мог осуществить превращение субстрата. Соответствие между формами и размерами молекулы субстрата и активного центра является очень точным, как у ключа и замка. Ферменты осуществляют химическое превращение субстратов в несколько стадий с небольшими энергиями активации. Благодаря этому они повышают скорости катализуемых реакций в много раз. Уcкopяющee действие ферментов становится наибольшим при определенных температурах, превышение которых снижает скорость биохимических реакций. При высоких температурах перестают действовать белковые цепи глобул. Будучи нативными, т. е. способными осуществлять свои функции только при строго соблюдаемых условиях, при высоких температурах они изменяют свою структуру, «свертываются», как свертывается белок альбумин куриного яйца при температуре около 100 °С.