Зависимость скорости реакции от присутствия катализатора

Катализаторами называются вещества, изменяющие скорость реакции, но по окончании реакции, остающиеся в неизменном виде.

Если реакция проходит по схеме:

A + B → C + D

то её кинетическое уравнение будет иметь вид: V = k∙c(A)∙c(B).

Схема той же реакции в присутствии катализатора может быть представлена таким образом:

A + B + K → ABK → C + D + K

где: K – катализатор.

Исходные вещества взаимодействуют с катализатором с образованием промежуточного неустойчивого соединения ABK, которое распадается с образованием продуктов реакции и катализатора в неизменном виде.

Механизм действия катализаторов основан на изменении энергии активации реакции и соответственно изменении константы её скорости.

Если введение катализатора приводит к увеличению константы скорости, то такой катализ называется положительным, а если к снижению – отрицательным. Катализаторы, понижающие скорость реакции называются ингибиторами.

Каталитические реакции играют исключительно важную роль в процессе жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Ферментами (энзимами) называются специфические белковые катализаторы природного происхождения, вырабатываемые живыми организмами.

Действие ферментов по сравнению с действием неорганических катализаторов имеет три отличительные особенности:

– исключительно высокая эффективность действия (увеличение скорости реакции в 10¹⁰ – 10¹³ раз);

– специфичность (избирательность) действия (каждый фермент катализирует строго определённую реакцию, не влияя на скорости протекания других);

– регулируемость – (ферменты обладают способностью увеличивать или уменьшать свою активность в зависимости от потребностей организма).

Несмотря на сложность строения молекул ферментов механизм их действия описывается теми же законами, которым подчиняются обычные химические реакции.

Ферментативные процессы находят широкое применение в пищевой промышленности, в частности при изготовлении молочнокислых продуктов, при производстве хлебобулочных изделий, при сбраживании вина и др.

Исследование кинетики любой реакции основано на изучении изменения концентрации одного из участников реакции во времени. Для этого необходимо применение метода анализа, чувствительного к концентрации данного вещества. Одним из таких методов является метод поляриметрии.

Поляриметрический метод

Обычный свет представляет собой колебания электромагнитного поля, причём вектор напряженности этого поля распределен равномерно по всем направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению движения луча света (Рис. 1.1., а).

При прохождении света через некоторые вещества кристаллического строения происходит поглощение электромагнитных колебаний во всех направлениях, кроме одного – соответствующего направлению расположения плоскостей кристаллических решёток в данном веществе (Рис. 1.1., б). Такой свет называется поляризованным.

При прохождении поляризованного света через некоторые вещества (или через их растворы) происходит вращение плоскости поляризации поляризованного света. Такие вещества называютсяоптически активными веществами.Некоторые оптически активные вещества вращают плоскость поляризации по часовой стрелке, а некоторые – против. Первые называются правовращающими, а вторые соответственно – левовращающими.

Величина угла вращения плоскости поляризации (a) пропорциональна концентрации раствора вещества (c) и толщине слоя раствора (l):

a = A∙c∙lв

где: A – удельное вращение угла плоскости поляризации (при c = 1г/см³ и l= 1дм).

Величина угла вращения подчиняется правилу аддитивности: Если в растворе находится несколько оптически активных веществ, величина угла вращения раствора равна сумме углов вращения каждого вещества:

Поляриметрический метод применяется в аналитической химии для определения концентраций растворов оптически активных веществ, в частности концентрации растворов сахарозы на предприятиях сахарной промышленности.

Полутеневой поляриметр

Основными частями поляриметра (Рис. 1.2.) являются поляризаторы 3 и 4 (после прохождения через них обычный свет становится поляризованным) и анализатор 6, который позволяет определить величину угла вращения плоскости поляризации света.

Поляризатор представляет собой две призмы Николя разного размера причем меньшая из них (4) прикрывает половину поля зрения. Плоскости поляризации этих призм находятся под некоторым углом друг к другу, поэтому поле, видное в окуляр 8, разделено на две части, отличающиеся по цвету и яркости освещения (Рис. 3.). Поляризатор неподвижен. Анализатор (тоже призма Николя) может вращаться вокруг оптической оси прибора.

Вращением анализатора вокруг оси можно достичь положения, при котором призмы Николя оказываются скрещенными, и проходящий свет гасится. Если между поляризатором и анализатором расположен оптически активный раствор, то скрещенная призма не будет гасить проходящий свет (т.е. этот раствор повернет плоскость поляризации на некоторый угол), и для достижения темноты необходим дополнительный поворот анализатора на величину угла вращения плоскости поляризации.

В полутеневом поляриметре момент отсчёта угла вращения определяется не по затемнению в окуляре прибора всего поля зрения, а по наступлению равной слабой освещенности обеих половин поля зрения (установка на полутень).

Если полутеневое положение найдено правильно (Рис. 1.3. (б)), то малейший поворот анализатора вправо (Рис. 1.3. (в)) или влево (Рис. 1.3. (а)) приводит к нарушению равномерности освещения вплоть до появления резкого контраста в освещенности обеих половин поля зрения. Угол поворота анализатора отсчитывается по движущейся при вращении шкале (лимбу) и неподвижному нониусу с точностью до десятых долей градуса.

Ноль нониуса указывает на шкале число градусов с точностью до 1. Десятые доли находятся по делению нониуса, совпадающему с делением шкалы.

Отсчет угла вращения производится только после того, как окуляр наведен на фокус и найдено правильное полутеневое положение прибора.

При необходимости проведения измерений при температурах отличных от комнатной, используют поляриметрические трубки с рубашками для обогрева. Такие трубки подключаются к циркуляционному термостату.

Реакция гидролиза сахарозы

Сахароза представляет собой дисахарид, при гидролизе молекулы которого образуется молекула глюкозы и фруктозы:

Реакция гидролиза катализируется кислотами и ферментами. В присутствии фермента b-фруктофуранозидазы энергия активации реакции снижается с 134кДж до 39кДж.

Сахароза является правовращающим веществом, т.е. её A > 0, а суммарное удельное вращение глюкозы и фруктозы оказывается отрицательным. Таким образом, в процессе гидролиза происходит изменение знака угла вращения с положительного на отрицательный (инверсия). По этой причине реакцию гидролиза сахарозы называют также реакцией инверсии сахарозы.

Реакция инверсии сахарозы является каталитической реакцией. Роль катализатора играют ионы водорода, источником которых может служить любая сильная кислота.

В процессе реакции исходная концентрация сахарозы (c₀) уменьшается и к моменту времени t составляет величину c₁, при этом концентрации глюкозы и фруктозы возрастают и становятся равными c₂ и c₃ соответственно. Из уравнения реакции следует, что из одного моля сахарозы образуется один моль глюкозы и один моль фруктозы, следовательно, концентрации глюкозы и фруктозы будут одинаковыми и равны концентрации, вступившей в реакцию сахарозы: c₂ = c₃ = c₀ – c₁.

После полного завершения реакции (условно это состояние обозначается символом ∞) концентрация сахарозы станет равна 0, а концентрации глюкозы и фруктозы – исходной концентрации сахарозы: c₂ = c₃ = c₀.

Протекание реакции сопровождается изменением угла вращения плоскости поляризации с a₀ вначале реакции до a_∞ после полного вступления в реакцию всей исходной сахарозы (таблица 1.).

Таблица 1.1. Изменение концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции и угла вращения плоскости поляризации во времени

Время протекания реакции	Концентрации	Угол вращения плоскости поляризации
сахарозы (1)	глюкозы (2)	фруктозы (3)
	c0			a0 = A1∙c0∙l
t	c1	c2 = c0 – c1	c3 = c0 – c1	at = [A1∙c1+(A2+A3)(c0 – c1)]∙l
∞		c0	c0	a∞ = (A2+A3)∙c0∙l

Каждый компонент раствора вносит свой вклад в величину угла вращения плоскости поляризации: сахароза – a₁, глюкоза – a₂, фруктоза – a₃. На основании правила аддитивности запишем выражение для суммарного угла вращения a:

a = a₁ + a₂ + a₃ = (A₁∙c₁ + A₂∙c₂ + A₃∙c₃)∙l

где: A₁, A₂ и A₃ – удельные вращения угла плоскости поляризации сахарозы, глюкозы и фруктозы соответственно. С учетом таблицы 1.1, в начальный момент:

a₀ = A₁∙c₀∙l ,

к моменту времени t:

a_t = [A₁∙c₁ + A₂(c₀ – c₁) + A₃(c₀ – c₁)]∙l = [A₁∙c₁ + (A₂ + A₃)(c₀ – c₁)]∙l ,

а в конце реакции:

a_∞ = (A₂ + A₃)∙c₀∙l

Из вышесказанного следует, что:

a₀ – a_∞ = A₁∙c₀∙l – (A₂ + A₃)∙c₀∙l = [A₁ – (A₂ + A₃)]∙c₀∙l ,

и

a_t – a_∞ = A₁∙c₀∙l – [A₁∙c₁ + (A₂ + A₃)(c₀ – c₁)]∙l = [A₁ – (A₂ + A₃)]∙c₁∙l

Таким образом, получается, что разность a_t – a_∞ пропорциональна концентрации сахарозы, и:

Подстановка полученного выражения в кинетическое уравнение реакции I-го порядка даёт результат:

(3)

После приведения к линейному виду получим:

Таким образом, для реакции I-го порядка зависимость lg(a_t – a_∞) = f (t) должна носить линейный характер. Величина lg(a₀ – a_∞) может быть получена экстраполяцией этой зависимости на t = 0.

Реакция гидролиза сахарозы находит практическое применение при производстве помадных конфет. В этом процессе гидролиз сахарозы катализируется ферментом инвертазой. Образующаяся фруктоза обладает высокой гигроскопичностью (способностью поглощать воду), что препятствует высыханию и черствению помады. Кроме того фруктоза придаёт помаде дополнительную сладость поскольку является значительно более сладким сахаром, чем сахароза.

Методика выполнения работы