химическая кинетика и катализ. тема 4. химическая кинетика и катализ. Основные понятия и терминология раздела

• Название: Основные понятия и терминология раздела
• Анкор: химическая кинетика и катализ
• Дата: 14.11.2020
• Размер: 0.85 Mb.
• Имя файла: тема 4. химическая кинетика и катализ.docx
• Тип: Закон; #150415

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ РАЗДЕЛА

• 
  химическая кинетика изучает механизм протекания химических процессов и их скорость, в то время как термодинамика изучает законы, которые описывают энергетические превращения сопровождающие биол химич и физич процессы.
  
• 
  хим реакции делятся на гомог и гетерог
  

1. 
   гомог - вещества имеют границу раздела между собой и реакция проходит по всему объему; реаг вещества находятся в одном агрегатном состоянии
   
2. 
   гетерог - вещества имеют границу раздела, реаг вещества находятся в разных агрегатных состояниях
   

• 
  скорость реакции ( моль/(л*с) ) определяется изменением концентрации веществ в единицу времени
  

v = | Δc |/Δ t

• 
  истинная скорость хим реакции - скорость в данный момент времени
  
• 
  средняя скорость хим реакции по компоненту - усредненная скорость за некоторое время
  
• 
  реакции делятся на простые и сложные:
  

1. 
   простые или элементарные реакции - реакции проходящие в одну стадию
   
2. 
   сложными называются реакции протекающие в несколько стадий каждая из которых явл простой реакцией
   

• 
  стадии сложных реакций:
  

1. 
   последовательно
   
2. 
   параллельно
   
3. 
   последовательно-параллельно
   
4. 
   циклически
   

• 
  в сложных реакциях скорость стадий может быть разной и определяют скорость сложн реакции по самой медленной - скоростьопределяющей / лимитирующей стадии
  

ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ГОМОГЕННЫХ РЕАКЦИЙ

• 
  на скорость гомог реакций влияют:
  

1. 
   природа реаг веществ
   
2. 
   температура
   
3. 
   конц вещест
   
4. 
   катализатор
   

• 
  закон действующих масс:
  

скорость гомог реакции при пост темп равна произведению конц реаг вещест возведенные в степени численно равные их стехиометрическим коэффициентам:

aA + bB = dD + fF

v = kc^a(A)c^b(B)

• 
  это уравнение явл кинетич только для простой реакции
  
• 
  константа скорости реакции является индивидуальной характеристикой реакции. Значение константы скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры системы и наличия в ней катализатора. Значение к для данных условий реакции не зависит от концентрации реагентов, и поэтому константа скорости остается неизменной в течение реакции и является ее фундаментальным кинетическим параметром.
  Значение константы скорости реакции численно равно скорости реакции при концентрациях реагентов, равных моль/ л.
  

• 
  константа скорости реакции численно равно скорости реакции при конц реаг веществ равных 1/моль
  
• 
  кинетическое уравнение для реакции:
  

v=kcⁿ_A(A)cⁿ_B(B)

где ⁿ_A и ⁿ_B - порядок реакции по реагентам А и В соответсвенно

• 
  порядок реакции по реагенту равен показателю степени, в которую надо возвести конц данного реагента в кинетическом уравнении сложной реакции, чтобы вычисленная по этому уравнению скорость была равна скорости найденной экспериментально
  
• 
  влияние температуры на скорость реакции описано в правиле Вант-Гоффа:
  

с увеличением температуры на каждые 10 К скорость реакции увеличивается в 2-4 раза

v₂=v_{1 *} y^T2-T1/10

y - температурный коэффициент реакции показывающий во сколько увеличивается скорость реакции при увеличении температуры на каждые 10 К

• 
  для обычных реакций у = 2-4, а для ферментативных у = 7-9
  
• 
  теория активных столкновений:
  

- не каждое столкновение приводит к акту химического взаимодействия

- к химич взаимод приводят только те столкновения частиц которые обладают энергией необходимой для осуществления хим реакции

- при соударении частицы должны относительным образом сориентированы друг от друга

• 
  энергия активации - это минимальная энергия взаимод частиц необходимая для вступления частиц в реакцию (Е_а, кДж/моль)
  
• 
  чем меньше энергия активации тем выше скорость реакции
  
• 
  уравнение Аррениуса:
  

k = A * e^-Еа/RT

• 
  катализатор способствует уменьшению энергии активации что приводит к увеличению скорости реакции
  

• 
  многие реакции имеют цепной механизм; для цепных реакций характерны три стадии:
  

- стадия зарождения (образование промежуточных активных частиц)

- стадия развития (образование новых активных частиц с а) без разветвления цепи (из одной частицы одна частица), б) с разветвлением (из одной частицы два или более частиц)

- стадия обрыва (полностью расходуются активные вещества и цепная реакция обрывается самопроизвольно или под действием ингибиторов)



если К_равн > 1, то в системе выше содержание конечных продуктов, т.е. реакция смещается в сторону продуктов

если К_равн < 1, то в системе выше содержание реагентов, т.е. реакция смещается в сторону обратной реакции





Вопросы для самоконтроля:

1.Дайте понятия истинной и средней скорости, укажите единицы измерения, приведите математическое выражение.

а) истинная скорость химической реакции - скорость в данный момент времени (моль/л*с)



б) средняя скорость хим реакции по компоненту - усредненная скорость за некоторое время (моль/л*с)



2.Перечислите факторы, от которых зависит скорость химических реакций. Укажите физический смысл величины "к" в ЗДМ.

а) скорость химических реакций зависит от температуры, природы реагирующих веществ, концентрации веществ, катализатор

б) константа скорости реакции является характеристикой реакции. Значение константы скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры системы и наличия в ней катализатора. Значение к для данных условий реакции не зависит от концентрации реагентов, и поэтому константа скорости остается неизменной в течение реакции и является ее фундаментальным кинетическим параметром.
Значение константы скорости реакции численно равно скорости реакции при концентрациях реагентов, равных моль/ л.
3.Приведите закон действия масс, его математическое выражение для мономолекулярных, бимолекулярных реакций.

а) закон действующих масс:

скорость гомог реакции при пост темп равна произведению конц реаг вещест возведенные в степени численно равные их стехиометрическим коэффициентам

математическое выражение для мономолекулярной реакции:

aA = bB + cC

v = kc^a(A)

математическое выражение для бимолекулярной реакции:

aA + bB = dD + fF

v = kc^a(A)c^b(B)


4.Сформулируйте правило Вант-Гоффа. Что такое температурный коэффициент?

а) правило Вант-Гоффа:

с увеличением температуры на каждые 10 К скорость реакции увеличивается в 2-4 раза

v₂=v_{1 *} y^T2-T1/10

б) y - температурный коэффициент реакции показывающий во сколько увеличивается скорость реакции при увеличении темп на каждые 10 К


5.Приведите его значения для ферментативных реакций?

для ферментативных у = 7-9

6.Напишите уравнение Аррениуса о зависимости скорости реакции от температуры.

уравнение Аррениуса:

k = A * e^-Еа/RT



7.Что такое энергия активации Е? Дайте понятие энергетического барьера.

а) энергия активации это минимальная энергия которую нужно сообщить молекуле, чтобы все частицы вступили в реакцию

б) энергетический барьер - это энергия которая необходима молекуле, чтобы вступить в химическую реакцию

8.Напишите кинетические уравнения реакций 0, 1 и 2 порядков. Приведите формулы для расчета величин констант скоростей и периодов полупревращений.

а) для реакций нулевого порядка кинетическое уравнение имеет следующий вид:

v = k⁰

t_1/2 = c₀/2k

скорость реакции нулевого порядка постоянна во времени и не зависит от концентраций реагирующих веществ; это характерно для многих гетерогенных (идущих на поверхности раздела фаз) реакций в том случае, когда скорость диффузии реагентов к поверхности меньше скорости их химического превращения.

б) pеакции первого порядка характеризуются кинетическим уравнением вида:

v = kc¹(A)

период полупревращения t_1/2 – время, за которое концентрация исходного вещества уменьшается вдвое по сравнению с исходной

t_1/2 = ln₂/k₁

   Как видно из полученного выражения, период полупревращения реакции первого порядка не зависит от начальной концентрации исходного вещества

в) Для реакций второго порядка кинетическое уравнение имеет следующий вид:

v = k₂c(A)c(B)

t_1/2 = 1/c_ok

9.Дайте понятия катализа, видов катализа, теорий катализа

а) катализ - процесс изменения скорости реакции под действием катализатора

б) Катализ может быть положительный (увеличивает скорость реакции) и

отрицательный (уменьшает скорость реакции - ингибирование)

в) теория ключ в замке - структура активного центра фермента является шаблоном структуры молекулы субстрата

теория индуцированной приспособляемости фермента и субстрата - субстрат взаимодействуя с аллостерическим центром фермента вызывает изменение конформации фермента и в то же время в молекуле субстрата происходят некоторые необходимые изменения

10.Приведите строение ферментов, дайте понятие "активных центров" биокатализаторов.

Активный центр – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе

11.Укажите особенности ферментативного катализа. Изложите гипотезу Фишера.

а) очень высокая каталитическая активность
высокая специфичность действия
высокая чувствительность к изменениям рН среды и температуры
возможность инактивации фермента   

б) гипотеза фишера - активный центр фермента строго соответствует конфигурации субстрата и не изменяется при его присоединении


13.От каких факторов зависит скорость ферментативных реакций?

Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов: природы и концентрации фермента и вещества, температуры, давления, реакции среды и т. д

14.Напишите уравнения Михаэлиса-Ментен, проведите его анализ


15.За счет чего с термодинамической точки зрения ферменты ускоряют процесс?

Ферменты с термодинамической точки зрения ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации.


16.Как проявляется термолабильность ферментов?

При 100°С почти все ферменты утрачивают свою активность (исключение составляют, очевидно, только один фермент мышечной ткани-миокиназа, которая выдерживает нагревание до 100°С), так как происходит денатурация белка. При низких температурах (0°С и ниже) ферменты, как правило, не разрушаются, хотя активность их падает почти до нуля (снижается кинетическая энергия - EA). На термолабильность ферментов определенное влияние оказывают концентрация субстрата, рН среды и другие факторы


17.Какова зависимость активности ферментов от рН среды? Как выглядит графическая кривая этой зависимости?

а) для каждой ферментативной реакции существует оптимальное значение рн среды, причем отклонение рн в любую сторону от этого значения приводит к резкому снижению активности. Зависимость ферментативной реакции от рН определяется кислотно основными свойствами белковой молекулы, а также изменением ее конформации вследствие изменений в ионизации отдельных групп вблизи активного центра

б)




18.Укажите роль активации и ингибирования в ферментативных процессах?

Активаторы ферментов – это вещества, увеличивающие скорость ферментативной реакции

Ингибиторами называют вещества, вызывающие снижение активности фермента


19.Как используется метод конкурентного торможения в медицинской практике?

Например, этиловый спирт используется с лечебной целью как конкурентный ингибитор для лечения отравлений этиленгликолем или метиловым спиртом.