BioXplorer

Для того чтобы прошла химическая реакция, нужно, чтобы молекулы столкнулись. Из кинетической энергии таких столкновений можно почерпнуть энергию, необходимую для того, чтобы разорвать или ослабить химические связи в молекулах реагентов. В результате теплового движения за 1 с. происходят триллионы столкновений молекул, лишь редкие из которых приводят к химическому превращению. То есть реагируют только те молекулы, которые в момент столкновения обладают достаточной суммарной энергией. Эта энергия, называемая энергией активации (Еа), характеризует ту минимальную энергию, которой должна обладать молекула (или молекулы), чтобы вступить в химическую реакцию. Графически эта величина соответствует величине барьера (образование переходного состояния), который необходимо преодолеть для осуществления химической реакции. В результате многие даже термодинамически разрешенные (выгодные) реакции практически не идут из-за слишком высокой энергии активации.

Вспомним реакцию окисления аммиака, который способен гореть в чистом кислороде (с огромным трудом на воздухе) с образованием азота и паров воды. Реакция идет только при высокой температуре. Добавление же порошка оксида хрома (CrO) приводит к "огненному дождю" из этих частиц. Идет реакция (экзотермическая, то есть с выделением теплоты), продукты которой содержат NO и воду. Оксид хрома, являющийся в реакции катализатором, не изменяется, но направляет реакцию по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации, при более низкой температуре в данном случае.

Важно отметить, что катализатор не расходуется и не изменяет разности свободных энергий начального и конечного состояний реакции, то есть не влияет на общие термодинамические характеристики реакции, в частности не смещает ее равновесие (изменяя лишь время выхода в равновесное состояние). Действие катализатора заключается в понижении энергии активации и означает, что большая доля сталкивающихся молекул будет обладать достаточной энергией для преодоления барьера свободной энергии переходного состояния и протекания реакции.

За счет чего катализатор может понижать барьер свободной энергии (или свободную энергию переходного состояния)? Он может взаимодействовать с реагентами, давая принципиально иное переходное состояние или просто более стабильное (и, следовательно, с более низкой свободной энергией), чем образуемое в некаталитической реакции.

Рассмотрим некоторые основные механизмы катализа. Все они могут быть обнаружены при изучении действия ферментов как катализаторов. Пример - реакция гидролиза сложного эфира:

R'COOR" + HO R'COOH + R"OH.

Эта реакция включает нуклеофильную атаку свободной парой электронов кислорода воды по углеродному остатку карбонила (имеет частичный положительный заряд d+ в результате оттягивания электронной плотности на кислородный атом), образование переходного состояния и далее продуктов реакции.

В образующемся переходном состоянии атакующая молекула воды приобретает положительный заряд, а кислород карбонильной группы - отрицательный. Такое переходное состояние крайне невыгодно, то есть его образование требует высокой энергии активации. Это, в свою очередь, означает, что скорость реакции будет очень мала.

Использование катализатора в данном случае может существенно помочь процессу. Каким образом?

1. Кислотно-основный катализ (под действием Н+ или ОН-);

а) кислоты могут временно давать протон молекуле эфира:

Протонированная форма эфира (более реакционноспособная) затем атакуется молекулой воды аналогично схеме без катализатора с той лишь разницей, что переходное состояние недвухзарядное (более стабильное, чем предыдущее), следовательно, для такой реакции требуется меньшая энергия активации.

б) основания (ХО-) могут временно акцептировать протон (Н+), помогая стабилизировать двухзарядное переходное состояние, например таким образом:

Другие статьи:

Особенности алкоголизма в подростковом и юношеском возрасте и его профилактика
Алкоголь общетоксичен, и в организме нет такого органа или ткани, на функции которых алкоголь не оказывал бы отрицательного влияния. Алкоголь, повреждая в первую очередь нервную систему, одновременно поражает другие органы и системы. На ...

Строение систем и органов человека. Центральная и вегетативная нервная система. Высшая нервная деятельность
Пищеварение. Переваривание и всасывание пищи происходят у человека в пищеварительном или желудочно-кишечном тракте, соединяющем ротовое отверстие с анальным. Пищеварительная трубка делится на участки, каждый из которых выполняет определ ...

Происхождение пресмыкающихся
Остатки наиболее древних пресмыкающихся известны из верхнекаменноугольного периода (верхнего карбона ; возраст примерно 300 млн. лет). Однако их обособление от земноводных предков должно было начаться раньше, видимо, в среднем карбоне (32 ...