Кинетика химических реакций. Ферментативный катализ. Химическое равновесие. Условия смещения равновесия

1.

Тема 1.4 «Химические реакции.
Термодинамика и кинетика»
1.4.2. Кинетика химических реакций.
Ферментативный катализ. Химическое
равновесие. Условия смещения
равновесия.

2.

Химическая кинетика
– учение о скоростях и механизмах химических реакций.
Основное понятие кинетики – скорость химической
реакции (vх.р.).
Скорость химической реакции определяется числом
частиц, прореагировавших за единицу времени в
единице объема.
Т.к. число частиц мы выражаем величиной «количество
вещества», а количество вещества в единице объема
(т.е. с=ν/V ) – это молярная концентрация, то можно
сказать: Скорость - это изменение концентрации
вещества за единицу времени и измеряется в моль/л∙сек

3.

4.

Задача №1
Реакция протекает по уравнению: А +2В = Д
Начальная концентрация С(А)= 0,1моль/л,
С(В)=0,5моль/л. Через 30 мин С(А) стала
0,05моль/л. Определите концентрацию
остальных веществ через 30 мин после начала
процесса и среднюю скорость реакции за это
время по веществу А и по веществу Д.

5.

Факторы, от которых
зависит скорость
химической реакции
• Природа реагирующих
веществ
• Концентрация веществ
• Площадь поверхности
(для гетерогенных
реакций) и давление для
реакций, в которых
участвуют газы
• Температура
• Катализатор

6.

Природа реагирующих веществ

7.

Концентрация веществ и давление
(для реакций, в которых участвуют газы)
Закон действующих масс
аА + вВ = dD
vх.р.= k С(А)a ∙ С(B)b
Скорость
химической
реакции
прямо
пропорциональна
произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в
степени равной стехиометрическому коэффициенту в уравнении.
k –константа скорости, это скорость реакции при единичных
молярных концентрациях исходных веществ, она зависит от
природы веществ. Это правило верно для гомогенных реакций, т.е.
для реакций, протекающих в одной фазе.

8.

Задача №2
Составить кинетическое уравнение для реакций:
2) Al + 3Br2 => 2AlBr3
1) CH4(г) + 2O2 =>2H2O + CO2
В какой реакции скорость зависит от концентрации
обоих веществ? Почему?
Как изменится скорость первой реакции, если
концентрацию метана увеличить в 2 раза?
Как изменится скорость первой реакции, если
концентрацию кислорода увеличить в 2 раза?

9.

Площадь поверхности
(для гетерогенных реакций)
Для гетерогенных реакций, когда реагирующие вещества
находятся в разных фазах и сталкиваются друг с другом
только на границе раздела, скорость зависит прежде
всего от величины площади поверхности раздела.

10.

Как изменить скорость
гетерогенной реакции?
1) При измельчении твердого и жидкого вещества увеличивается
общая площадь поверхности на которой могут столкнуться
частицы…
2) На скорость влияет концентрация вещества, которое находится в
жидкой или газообразной фазе, следовательно ее изменение тоже
изменит скорость...
3) Непрерывный подвод реагентов и отвод продуктов реакции от
поверхности ( перемешивание) – ускоряет реакцию.

11.

Для газообразных веществ вместо
понятия «молярная концентрация»
можно говорить о «парциальном
давлении».
Парциальное давление – это часть
общего давления, которая обусловлена
частицами именно данного газа.
Скорость реакции в которой участвуют
газы, зависит от парциального
давления этих газов.
2СО + О2 = 2СО2 vх.р.= k ∙ р(СО)2 ∙ р(О2)

12.

• Для увеличения скорости
реакции надо увеличить
число столкновений и
надо увеличить энергию
этих столкновений (их
результативность).
Минимальный избыток
энергии, который должна
иметь частица, чтобы
произошло эффективное
столкновение называют
энергией активации.
Температура

13.

Скорость химической реакции увеличивается в 2-4
раза при увеличении температуры на каждые 10
градусов.

14.

Задача №3
• При 40С скорость реакции была 0, 1 моль/л∙сек
• Как изменится скорость реакции, если температуру
системы а) повысить до 100С? 2) понизить до 10С?
• Температурный коэффициент равен 3.

15.

Есть и другой способ преодолеть
энергетический барьер: катализ.
Катализ – изменение скорости химической
реакции с помощью особых веществ –
катализаторов, которые участвуют в процессе,
но к концу реакции остаются неизменными

16.

Теория активного комплекса
или как работает катализатор

17.

Особенности каталитических реакций:
1) катализатор не расходуется в процессе катализа;
2) большинство катализаторов избирательны;
3) катализаторы не влияют на химическое равновесие, они
одинаково ускоряют прямую и обратную реакцию;
4) катализаторы чувствительны к посторонним веществам, если
это вещество усиливает действие катализатора – его называют
промотором (активатором), если ослабляет – каталитически
ядом.

18.

Катализ бывает:
- положительный и отрицательный – в зависимости от того
увеличивается или уменьшается скорость в процессе катализа
(отрицательный
катализатор
обычно
называют
ингибитором);
- гомогенным и гетерогенным – в зависимости от того в одной
или разных фазах находятся катализатор и исходные
вещества;
- кислотно-основный – если катализатором являются ионы
водорода;
- автокаталитическим – если катализатором является какое-то
вещество из продуктов реакции.

19.

Важной характеристикой реакции является
«порядок реакции».
• Реакции второго порядка - скорость зависит от концентрации двух
исходных веществ и т.д. обычно это гомогенные реакции, например:
2Н2 + О2 = 2Н2О, vх.р.= k [Н2]2 ∙ [О2]
• Реакции
первого порядка - скорость зависит от концентрации
какого-то одного исходного вещества, например:
2Mg + О2 = 2MgО, vх.р.= k ∙ [О2]
• Реакции
нулевого порядка - скорость реакции не зависит от
концентрации реагирующих веществ, т.е. vх.р.= k (постоянная).
2SO2 +O2 = 2SO3 Скорость такой реакции зависит от концентрации
катализатора, а от концентрации веществ не зависит.
В химии практически не встречаются реакции выше 2-го порядка.

20.

Ферментативный катализ
Особую группу катализаторов составляют
ферменты (энзимы) – биологические
катализаторы.
Их известно приблизительно 2000. Они
управляют всеми биохимическими
процессами в организме, ни одна реакция в
организме не протекает без участия
фермента. Ферменты – это специфические
белки, присутствующие во всех клетках. В их
состав могут входить и небелковые части –
коферменты.

21.

Особенности ферментативного катализа
1) Очень высокая скорость реакций (в 106-1012 раз больше, чем скорость
обычных реакций), потому что энергия активации ферментативных
процессов очень низкая.
Ферментативные реакции принято характеризовать молекулярной
активностью. Молекулярная активность – число молекул вещества
превращенных 1 молекулой фермента за 1 сек. Для пепсина
молекулярная активность равна 20, для амилазы – 300, для
холинэстеразы – 300 000.
2) Изменение концентрации фермента очень сильно влияет на скорость
метаболических процессов.
Определение концентрации ферментов (ее называют активностью
фермента) в биологических жидкостях позволяет диагностировать
различные заболевания (энзимодиагностика).

22.

3) Очень высокая специфичность (избирательность)
биохимических реакций. Принцип
«ключик к
замочку»
4) Ферменты легко теряют свои каталитические
свойства, поэтому ферментативные процессы
протекают в очень мягких условиях и очень сильно
зависят от температуры и кислотности среды.
5) Скорость ферментативных процессов сильно
зависит от присутствия посторонних веществ,
которые могут быть активаторами и ингибиторами
ферментов. Например: KCN, H2S, CO, пестициды,
многие лекарства взаимодействуют с ферментами и
мешают образованию активного комплекса; а ионы
Mg, Mn, Zn и других металлов активируют ферменты.

23.

Химические реакции
Обратимые
Необратимые

24.

Необратимые химические реакции — это
реакции, которые протекают только в одном
направлении («слева направо»), в результате
чего исходные вещества полностью
превращаются в продукты реакции.

25.

+
H
СH3COOН + CH3OH → СH3COOCН3 + H2O
→
Уксусная кислота
Метиловый спирт
Метилацетат
Обратимые химические реакции — это
реакции, которые одновременно протекают в
двух противоположных направлениях (прямая
«слева направо» и обратная «справа налево»).

26.

• Скорость химической реакции
зависит от концентрации веществ.
• С течением времени концентрация
Химическое
равновесие
исходных веществ уменьшается и
скорость прямой реакции тоже
уменьшается. А скорость обратной
реакции со временем
увеличивается, потому что
увеличивается концентрация
продуктов реакции.
• Химическим равновесием
называется состояние системы,
когда скорость прямой реакции
равна скорости обратной реакции.

27.

В состоянии химического равновесия отношение произведения
равновесных концентраций продуктов реакции к произведению
равновесных концентраций исходных веществ с учетом
стехиометрических коэффициентов, есть величина постоянная
при данной температуре, и называется константой равновесия.
аА + вВ ↔ сС + dD
Концентрации всех веществ, участвующих в реакции, связаны
между собой, и изменение одной из них влечет за собой
изменение другой.
Константа равновесия является количественной
характеристикой равновесия.
К может быть от 0 до ∞

28.

Закон действующих масс – один из основных законов
химии, он позволяет рассчитывать константы равновесия
и концентрации веществ при различных химических
процессах (диссоциации, гидролиза, растворения и т.д.).
Напишите выражение для константы равновесия данного
процесса.

29.

Закон смещения
химического равновесия
в зависимости от внешних
факторов в 1885 г. вывел
французский химик Анри
Ле Шателье, а обосновал
немецкий физик
Фердинанд Браун в 1887 г.
Анри Ле Шателье
1850–1936 гг.
Фердинанд Браун
1850–1918 гг.

30.

Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какоелибо воздействие, то в системе ускоряются процессы,
направленные на ослабление этого воздействия.
В процессе реакции изменяется
- число молекул исходных веществ и продуктов
реакции (всегда!)
-температура (очень часто)
- давление (если меняется число частиц
газообразных веществ).
Если изменить один из параметров, могут
измениться скорости прямой и обратной
реакции так, что и другие параметры системы
изменятся. Это принято называть смещением
равновесия.

31.

Куда сдвинется химическое равновесие при
изменении условий реакции?
2Н2(г) + О2(г)⇆ 2Н2О (г) + Q
Этот процесс при определенных условиях обратим.
1) Запишем, что происходит в прямой реакции:
- концентрация водорода и кислорода уменьшается (они вступают в
реакцию и расходуются), а концентрация воды (она образуется) –
увеличивается;
- температура увеличивается (т.к. реакция экзотермическая);
- давление уменьшается (2 ν + 1 ν ↔ 2 ν).
1) В обратной реакции все наоборот. (можно записать все изменения
параметров над и под стрелками прямой и обратной реакции в
уравнении реакции)

32.

3) По принципу Л-Ш, если увеличить температуру (↑t), то система
стремится понизить температуру ( ↓t). И для этого увеличивается скорость
(↑v) (прямой? обратной?) реакции. Следовательно (=>), равновесие (рс)
сдвигается (→) в сторону (исходных веществ? продуктов реакции?).
4) Если уменьшить концентрацию кислорода, то …
5) Если увеличить концентрацию водорода, то…
6) Если понизить температуру, то…
7) Если повысить давление, то
8) Если увеличить концентрацию воды, то …
9) Если понизить давление, то …

33.

Алгоритм определения смещения равновесия в системе:
1) Определите, как изменяются интересующие вас параметры в
прямой и обратной реакции.
2) По принципу Ле Шателье определите, в каком процессе эти
изменения будут компенсироваться.
3) Сделайте вывод о том, в какую сторону сдвинется равновесие
обратимой реакции.
2С(тв) + О2(г) ↔ 2СО(г)+ Q
Как сдвинется равновесие, если…
а) увеличить температуру
б) уменьшить концентрацию СО
в) увеличить давление

34.

1. Изменение температуры
Эндотермическая
реакция
2NO2 → 2NO + O2 - Q
→
Экзотермическая
реакция
При повышении температуры система противодействует, т.е.
охлаждает себя, что происходит за счёт смещения равновесия
в сторону эндотермической реакции, т.е. в сторону продуктов
реакции. Это означает что их концентрация станет больше, чем
была до воздействия.

35.

2. Изменение давления
2NO2 → 2NO + O2 - Q
→
Чтобы увеличить скорость прямой реакции, нужно понизить
давление в сосуде.
Чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции, нужно
повысить давление.

36.

3. Изменение концентрации веществ
2NO2 → 2NO + O2 - Q
→
При увеличении концентрации NO2 скорость прямой реакции увеличится.
Если увеличить концентрацию NO или O2, или их обоих, химическое
равновесие сместится в сторону обратной реакции соединения.