Влияние температуры на скорость реакции

С ростом температуры возрастает энергия сталкивающихся частиц и повышается вероятность того, что при столкновении произойдет химическое превращение, поэтому скорость реакции должна увеличиваться. Для приближенной оценки изменения скорости широко используется правило Вант-Гоффа, в соответствии с которым скорость химической реакции становится приблизительно в 2 – 4 раза больше при повышении температуры на каждые 10 градусов. Математически это означает, что скорость реакции зависит от температуры следующим образом:

v(T₂)/v(T₁) = g⁽^T^{2 –}^T^1)/10,

где g - температурный коэффициент скорости (g = 2 – 4).

Влияние катализаторов

Наиболее сильное влияние на скорость реакции оказывает присутствие в реагирующей системе катализатора – вещества, которое повышает (а иногда и уменьшает – тогда его называют ингибитором) скорость химической реакции, но само не расходуется в этом процессе. Катализаторы подразделяют на три типа: гомогенные, гетерогенные и биологические (биокатализаторы или ферменты, реже можно встретить название энзимы).

Влияние катализаторов на скорость реакции называется катализом. Если взаимодействующие вещества и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, говорят о гомогенном катализе. При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях: обычно катализатор – в твердом, а реагирующие вещества – в жидком или газообразном.

Механизм действия катализаторов является очень сложным. Основная гипотеза, объясняющая катализ – предположение об образовании промежуточных продуктов при взаимодействии катализатора и реагирующего вещества.

Для объяснения гетерогенного катализа чаще всего пользуются адсорбционной теорией катализа. Согласно этой теории при гетерогенном катализе происходит адсорбция реагирующих веществ поверхностью катализатора (за счет того, что поверхность катализатора неоднородна и на ней имеются так называемые активные центры). Под действием активных центров катализатора у адсорбированных молекул ослабляется связь между атомами, увеличиваются расстояния между атомами в реагирующей молекуле, реагирующие молекулы деформируются, а иногда даже диссоциируют на отдельные атомы.

Кроме того, нужно подчеркнуть, что для катализатора характерна избирательность действия, т. е. определенный катализатор, изменяя скорость одной реакции, не оказывает влияния на скорость какой то другой химической реакции. Поэтому понятно, что поиски, подбор, исследования и дальнейшее внедрение в практику все новых и новых катализаторов являются одной из сложнейших и важнейших задач современной химии.

Катализ играет большую роль не только в химии, но и в биологии, так как практически все биохимические превращения, происходящие в живых организмах, являются каталитическими. Роль катализаторов в этих реакциях выполняют специфические белки, называемые ферментами. Всем ферментам свойственна высокая каталитическая сила и специфичность.

Ферменты ускоряют реакции, по крайней мере, в миллионы раз. В самом деле, в отсутствие ферментов скорость большинства реакций в биологических системах была бы практически неощутима. Даже такая простая реакция, как гидратирование диоксида углерода катализируется ферментом:

СО₂+ Н₂О ® Н₂СО₃

В отсутствие фермента перенос СО₂ из тканей в кровь и затем в воздух легочных альвеол был бы не полон. Карбоангидраза, катализирующая эту реакцию, принадлежит к числу самых активных ферментов из всех известных. Каждая молекула карбоангидразы способна гидратировать 10⁵ молекул СО₂ в 1 секунду. Скорость реакции гидратирования СО₂ в присутствии фермента в 10⁷ раз выше, чем в его отсутствие.

Ферменты обладают высокой специфичностью как в отношении катализируемой ими реакции, так и в отношении субстратов, т. е. участвующих в реакции веществ. Степень специфичности к субстрату обычно высока, а иногда практически абсолютна.

Примером высокой специфичности ферментов может служить ДНК-полимераза I. Этот фермент синтезирует ДНК, соединяя друг с другом четыре типа нуклеотидов – строительных блоков ДНК. Последовательность нуклеотидов в синтезируемой цепи ДНК определяется последовательностью нуклеотидов в другой цепи ДНК, играющей роль матрицы. ДНК- полимераза I отличается поразительно высокой точностью в выполнении тех инструкций, которые задаются матрицей. В синтезируемых цепях ДНК ошибочно включенный нуклеотид встречается реже, чем один раз на миллион.

Некоторые ферменты синтезируются в форме неактивного предшественника и переходят в активное состояние в соответствующем месте и времени. Примером регуляции такого типа могут служить пищеварительные ферменты. Так, трипсиноген синтезируется в поджелудочной железе, а активируется в тонком кишечнике, где в результате расщепления пептидной связи образуется активная форма – трипсин. Каталитически неактивные предшественники ферментов называются проферментами или зимогенами.

Ферменты осуществляют трансформацию различных видов энергии. Так, например, при фотосинтезе энергия света превращается в энергию химических реакций. В митохондриях – энергетических станциях клетки, свободная энергия, содержащаяся в низкомолекулярных веществах, поступающих с пищей, переходит в энергию аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия химических связей АТФ используется далее во многих процессах.

Ферменты обладают наибольшей эффективностью при температуре около 37°С. При повышении температуры выше 50-60°С они разрушаются и становятся неактивными.

Порядок выполнения работы

При взаимодействии раствора тиосульфата натрия Na₂S₂O₃ и серной кислоты выпадает сера, вызывающая при достижении определенной концентрации помутнение раствора:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄= H₂O + SO₂+ S + Na₂SO₄

По промежутку времени от начала реакции до заметного помутнения раствора можно судить об относительной скорости этой реакции.

Споласкивают две чистые бюретки: первую – раствором тиосульфата, вторую – раствором серной кислоты. Закрепляют каждую бюретку в штатив. Обе бюретки заполняют выше нулевого деления соответственно раствором тиосульфата натрия и раствором серной кислоты. Избыток жидкости из бюреток выпускают в подставленный стакан, пока нижний мениск жидкости в бюретках не установится на нулевом делении, при этом необходимо заполнить наконечники бюреток так, чтобы в них не осталось бы воздуха.

Наливают в одну пробирку 5 мл раствора Na₂S₂O₃, а в другую – 5 мл раствора H₂SO₄. Обе пробирки помещают в стакан с водой с тем, чтобы растворы приняли температуру воды. Через 5-7 мин измеряют температуру воды. Сливают вместе содержимое обеих пробирок. Измеряют время до появления помутнения. Повторяют опыт, повысив температуру еще на 10 град.

Результаты опытов записывают в таблицу по форме

Номер пробирки	Объем раствора, мл	Температура опыта, °С	Время появления помутнения, сек	Относительная скорость реакции v = 1 /t , сек ^-1
Na₂S₂O₃	H₂SO₄
	5,0	5,0
	5,0	5,0
	5,0	5,0

По полученным данным строят график зависимости скорости реакции от температуры: на оси абсцисс откладывают температуру, на оси ординат – относительную скорость реакции. Делают вывод.

3.Контрольные вопросы

1.Какие факторы оказывают влияние на скорость химической реакции?

2.Сформулируйте закон действующих масс.

3.Что называется константой скорости химической реакции?

4.Что такое катализ?

5.Приведите пример гетерогенного и гомогенного катализа.

6.Что такое ферменты?

7.В чем выражается высокая специфичность ферментов?

4.Тестовые задания

1.Система между частями которой нет поверхности раздела называется …

А)однофазной

Б)гомогенной