Общие принципы катализа
1. Катализаторы ускоряют только термодинамически возможные реакции.
2. Катализаторы ускоряют химическую реакцию, как правило, за счет снижения энергии активации реакции, образуя промежуточные соединения.
3. Катализаторы увеличивают скорости как прямой, так и обратной реакций, ускоряя достижение химического равновесия.
4. Катализаторы после завершения реакции остаются в неизменном виде и количестве.
5. Все каталитические реакции сложные, так как состоят, как минимум, из двух элементарных актов:
а) Реагент + катализатор→ промежуточное соединение; б) Промежуточное соединение→ продукты реакции + катализатор.
6. Действие катализатора можно изменить: промоторы – усиливают, а каталитические яды – блокируют действие катализатора.
Особенности ферментативного катализа
1)Химическая природа. Все ферменты – белки. По своему строению ферменты подразделяются на две большие группы: одно-компонентные и двухкомпонентные. К однокомпонентным относятся ферменты, состоящие только из белковых молекул. У этих ферментов роль активных центров выполняют определенные химические группировки – аминокислотные остатки. Например, ОН– группа серина, SH– группа цистеина и др. К двухкомпонентным относятся такие ферменты, которые состоят из белковой и небелковой части, причем белковая часть двух-компонентного фермента оказывает решающее влияние на специфичность его действия. Вместе с тем соединение активной группы (небелковой части) с белками приводит к огромному возрастанию ее каталитической активности. Небелковая часть представлена витаминами или катионами d-элементов.
2) Размер. Молекулы ферментов имеют размер коллоидных частиц (1-100 нм), поэтому их относят к ультрамикрогетерогенным катализаторам.
3) Высокая каталитическая активность. Ничтожно малые количества ферментов способны расщеплять во много раз превышающие количества реагирующих веществ. Например, 1 моль фермента алкогольдегидрогеназы за 1 сек при 25С способствует превращению 720 моль этанола в уксусный альдегид, а 1 моль промышленного катализатора за 1 сек даже при 200С позволяет окислить только 1 моль этанола.
4) Химическая специфичность. Ферменты действуют на определенные субстраты или типы связей. Например, уреаза расщепляет только мочевину, а пепсин (фермент желудочного сока) действует на пептидные связи белков.
5) Влияние внешних условий. По своей природе ферменты значи-тельно более чувствительны к изменению внешних условий, чем неорганические катализаторы. Температурный оптимум боль-шинства растительных ферментов 313-333 К, животных фермен-тов 313-323 К. Если температура превысит эти пределы, актив-ность фермента очень быстро падает, а при 343-353 К происхо-дит, как правило, их необратимое разрушение, обусловленное денатурацией белка.
6) Инактивация .В процессе протекания каталитической реакции фермент постепенно разрушается и утрачивает свою активность – инактивируется. Чем большей активностью обладает фермент, тем он сильнее разрушается в процессе катализа. Этим свойством ферменты существенно отличаются от неорганических катализаторов, которые остаются без изменения в продуктах реакции.
10. Химическое равновесие – такое динамическое состояние обратимого процесса, при котором скорости прямой и обратной реакции равны и которое характеризуется постоянством пара- метров при постоянных внешних условиях.
Константа равновесия химической реакции, Kравн, равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции к произведению равновесных концентраций реагентов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам – закон действующих масс для химического равновесия: аА + bВ ↔сС + dD
Смещение химического равновесия
Каждое химическое равновесие устанавливается при определенном значении трех параметров, которые его характеризуют:
1) концентрация реагирующих веществ,
2) температура,
3) давление для газов.
Направление смещения равновесия определяется принципом Ле Шателье:
Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывать воздействия путем изменения концентрации реагентов, давления, температуры, то равновесие смещается в направлении той реакции, протекание которой ослабляет это воздействие.
Аналогично принципу Ле Шателье в природе существует принцип адаптивных перестроек:
Любая живая система при воздействии на нее перестраивается так, чтобы уменьшить это воздействие.
11.