Кинетическая классификация химических реакций. Ферментативный катализ. Особенности действия ферментов

Карагандинский государственный  медицинский университет

 

СРО

На тему: Кинетическая  классификация химических реакций. Ферментативный катализ. Особенности  действия ферментов.

 

 

 

 

 

 

 

Подготовила: Цой Л., 142 ОМ

     Проверила: Фигуринене И. В.

 

 

Содержание:

• Химическая кинетика
• Кинетическая классификация химических реакций
• Скорость химических реакций. Зависимость от различных факторов
• Ферментативный катализ
• Роль ферментативного катализа

 

Химическая кинетика

 

 

 

Химическая кинетика изучает  химические превращения веществ  как процесс, протекающий по определенному  механизму с характерными для  него закономерностями во времени. Объектами химической кинетики  служат реакции, в которых принимают  участие различные реакционные  частицы, в том числе — молекулы, ионы, радикалы, комплексы и т. д. Кинетические данные дают возможность  уточнить механизм реакции, выявить  корреляционные зависимости между  реакционной способностью молекул  и их строением; они необходимы  при проектировании реакторов  для химического синтеза, при  разработке новых и модернизации  старых технологических процессов.

Корректное использование кинетического  анализа возможно только в  том случае, если обо всех реагентах  и продуктах существует качественная  и количественная информация. Именно  на основе материального баланса  составляется стехиометрическое  уравнение реакции, где количество  израсходованных веществ соответствует  количеству образовавшихся соединений. Кинетические исследования обычно  начинают с выявления влияния  на состав продуктов, реакции  времени, реакции в периодических  реакторах или времени контакта  в проточных реакторах.

 Кинетическая кривая — изменение концентрации реагента или продукта, или связанного с ними свойства системы во времени в результате протекания химического процесса. Эта зависимость концентрации вещества от времени протекания реакции может быть выражена в графической, табличной или аналитической форме. Одним из основных кинетических параметров, характеризующих химическую реакцию, является скорость химической реакции — количество реакционных частиц определенного вида, реагирующих в единицу времени (dc/dt).

Форма полученных кинетических  кривых позволяет выявить особенности  кинетики изучаемой реакции.

Кривые характеризуют 4 основных  типа расходования и накопления  соединений в реакционной смеси:

1. Реагент расходуется практически  нацело. Его концентрация уменьшается  во времени: c(t1) > c(t2) при  t1 < t2, или dc/dt ≤ 0, и,  если реакция идет до конца,  то с(t) → 0 при t → ∞.

2. Реагент расходуется до  конечной степени превращения,  меньшей 100 %, что характерно  для химических процессов, основу  которых составляют: обратимые  реакции; каталитические реакции,  в ходе которых катализатор  отравляется; сложные реакции,  протекающие с образованием ингибитора.  Кроме того, не расходуются  до конца реагенты в многокомпонентной  реакции, если реагенты взяты  в нестехиометрическом соотношении.  В этих случаях при t →  ∞ с∞ ≠ 0.

3. Концентрация продукта возрастает  монотонно. Если вещество —  конечный продукт, то его концентрация  увеличивается во времени: c(t1)  < c(t2) при t1 < t2, или  dc/dt ≥ 0.

4. Концентрация продукта проходит  через максимум. Подобный тип  зависимости характерен для промежуточного  продукта, его концентрация увеличивается,  проходит через максимум и  уменьшается, т. е. какое-то  время dc/dt ≥ 0 для t1 <  tmax, а затем dc/dt ≤ 0 для  t ≥ tmax (где tmax — время  достижения максимальной концентрации  промежуточного продукта).

 

Кинетическая классификация  химических реакций

 

Согласно кинетической классификации, реакции делят на простые и  сложные. В простой реакции реагенты  непосредственно превращаются в  конечные продукты без образования  промежуточных, в реакционной системе  отсутствуют катализаторы и ингибиторы, а химический процесс состоит  из однотипных элементарных актов. Сложная (многостадийная) реакция состоит  из элементарных стадий, связанных  друг с другом через реагенты  или продукты.

Простая реакция

 

Сложная реакция

 

Число реагирующих веществ невелико,

 а количественный состав продуктов реакции сравнительно прост. Количественные соотношения продуктов не зависят от условий протекания реакции (времени, температуры, состава реагирующей исходной смеси, давления)

 

Число реагирующих веществ значительно. Состав продуктов реакции определяется  временем, температурой, исходным составом  реагентов и давлением реакционной  смеси

 

Скорость реакции монотонно  увеличивается с ростом температуры; энергия активации всегда положительна  и иногда может зависеть от  температуры эксперимента

 

Скорость реакции с ростом  температуры может увеличиваться, уменьшаться или проходить через  экстремум и зависит от материала  и размеров реакционного сосуда. Энергия активации, определенная  в широком интервале температур, может быть положительной, отрицательной  или близкой к нулю

 

Скорость реакции монотонно  меняется при изменении условий  проведения реакции и не зависит  от материала и размеров реакционного  сосуда

 

При варьировании условий проведения  реакции возможно скачкообразное  изменение скорости реакции на  несколько порядков, обусловленное  критическими явлениями катализа  или ингибирования химической  реакции

Другой тип кинетической классификации  химических реакций основан на  делении простых реакций по  числу частиц, участвующих в превращениях: мономолекулярная реакция — реакция, в элементарном акте которой  превращается одна частица (молекула, радикал, ион); бимолекулярная реакция  — реакция, в которой претерпевают  превращения две частицы (молекула, радикал, ион); тримолекулярная реакция  — реакция, протекающая с участием  трех частиц при их одновременном  столкновении.

Простые мономолекулярные  реакции

 

Простые бимолекулярные  реакции

 

Реакция изомеризации — превращение одного реагента (частицы) в один продукт:

 

 

 

 

 

Диссоциация — распад молекулы, связанный с разрывом одной связи:

 

 

Реакция распада — превращение одной молекулы (частицы) в две или несколько частиц (молекула, радикал, ион):

 

 

 

Реакция элиминирования — распад

многоатомной молекулы на несколько  молекул:

 

 

 

 

Реакция присоединения — взаимодействие двух реагентов друг с другом, из которых, по крайней мере, один является молекулой:

 

 

 

Реакции электрофильного и нуклеофильного  замещения — реакции замены активной группы в молекуле на другую группу:

 

Реакция отрыва — взаимодействие молекулы с атомом, радикалом или ионом, приводящее к образованию молекулярного продукта и новой активной частицы:

 

 

 

 

Реакция рекомбинации — взаимодействие двух атомов, радикалов, ионов, приводящее к образованию молекулярного продукта:

 

 

 

 

Реакция диспропорционирования  — перераспределение атомов или  их группировок между двумя  одинаковыми молекулами, радикалами  в результате их взаимодействия:

 

 

 

 

Скорость химических реакций. Зависимость от различных факторов

 

 

 

• Скорость химической реакции - это величина, показывающая как изменяются концентрации исходных веществ или продуктов реакции за единицу времени.

 

• Скорость гомогенной реакции:

 

 

 

 

• Скорость гетерогенной реакции:

 

 

 

 

 

 

 

 

Условия

 

Примеры

 

Концентрация

 

При повышении концентрации  хотя бы одного из реагирующих  веществ скорость химической  реакции возрастает в соответствии  с кинетическим уравнением.

 Рассмотрим общее уравнение реакции: aA +bB = cC + dD. Для данной реакции кинетическое уравнение принимает вид:

                           

 

 

 

 

 

Причиной повышения скорости  является увеличение числа столкновений  реагирующих частиц за счёт  увеличения частиц в единице  объёма.

 

 

Температура

 

Химические реакции, протекающие  в гомогенных системах (смеси  газов, жидкие растворы), осуществляется  за счет соударения частиц. Однако, не всякое столкновение частиц  реагентов ведет к образованию  продуктов. Только частицы, обладающие  повышенной энергией - активные частицы, способны осуществить акт химической  реакции. С повышением температуры  увеличивается кинетическая энергия  частиц и число активных частиц  возрастает, следовательно, химические  реакции при высоких температурах  протекают быстрее, чем при низких  температурах.

Правило Вант - Гоффа является  приближенным и применимо лишь  для ориентировочной оценки влияния  температуры на скорость реакции.

Условия

 

Примеры

 

 

 

 

 

 

 

 

Катализатор

 

Катализаторы - это вещества, которые  повышают скорость химической  реакции. Они вступают во взаимодействие  с реагентами с образованием  промежуточного химического соединения  и освобождается в конце реакции.

 Влияние, оказываемое катализаторами на химические реакции, называется катализом. По агрегатному состоянию, в котором находятся катализатор и реагирующие вещества, следует различать:

гомогенный катализ (катализатор  образует с реагирующими веществами  гомогенную систему, например, газовую  смесь);

гетерогенный катализ (катализатор  и реагирующие вещества находятся  в разных фазах; катализ идет  на поверхности раздела фаз).

Условия

 

Примеры

 

Площадь соприкосновения реагирующих  веществ

 

Для увеличения площади соприкосновения  реагирующих веществ, их измельчают. Наибольшей степени измельчения  достигают путем растворения  веществ. Быстрее всего вещества  реагируют в растворах.

 

Природа реагирующих веществ

 

Например, металлы магний и железо  реагируют с соляной кислотой  одинаковой концентрации с различной  скоростью. Это связано с разной  химической активностью металлов.

Ферментативный катализ

 

Ката́лиз (греч. κατάλυσις восходит  к καταλύειν — разрушение) —  избирательное ускорение одного  из возможных термодинамически  разрешенных направлений химической  реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает  в промежуточное химическое взаимодействие  с участниками реакции и восстанавливает  свой химический состав после  каждого цикла промежуточных  химических взаимодействий.

Термин «катализ» был введён  в 1835 году шведским учёным Йёнсом  Якобом Берцелиусом.

Явление катализа распространено  в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко  используется в технике (в нефтепереработке  и нефтехимии, в производстве  серной кислоты, аммиака, азотной  кислоты и др.). Большая часть  всех промышленных реакций —  каталитические.

• Ферменты — высокоэффективные катализаторы. Они повышают скорость катализируемой реакции в 10¹² раз и более.
• Субстрат – это соединение, на которое воздействует данный фермент.
• Основные особенности каталитического действия ферментов:
• исключительно высокая каталитическая активность;
• специфичность (селективность) действия к субстрату и катализируемо реакции;
• сверхчувствительность к изменениям pH среды и температуры.