Если реакция A + B AB протекает с малой скоростью, то можно найти вещество
K, которое с одним из реагентов образует активированный комплекс,
взаимодействующий в свою очередь с другим реагентом:
A + B [A... K]; [A... K] + B AB + K
Если энергии активации этих стадий ниже энергии активации процесса в
отсутствие K, то общая скорость процесса значительно возрастает, и такой
катализ называется положительным. В противном случае скорость процесса
уменьшится и катализ будет отрицательным. Таким образом, катализатор - это
вещество, изменяющее скорость реакции и остающееся после нее химически
неизменным. Катализатор, присутствующий в системе в количествах, в тысячи раз
меньших, чем реагенты, может в сотни, в тысячи и в миллионы раз изменять
скорость реакции. В некоторых случаях под действием катализаторов могут
возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не
протекают. Вместе с тем, с помощью катализатора можно изменить скорость лишь
термодинамически возможного процесса. Для замедления нежелательных процессов
или для придания реакциям более спокойного характера используются
отрицательные катализаторы.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа
катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В
случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде
самостоятельной фазы и реакция протекает на его поверхности.
Очень большую роль играет катализ в биологических системах. Активными
катализаторами биологического действия являются ферменты - простые и сложные
белки с большой молекулярной массой. Большинство химических реакций,
протекающих в пищеварительной системе, в крови и клетках животных и человека,
являются каталитическими реакциями. Так, слюна содержит фермент птиалин,
который катализирует превращение крахмала в сахар. Фермент, имеющийся в
желудке - пепсин - катализирует расщепление белков. Половина от имеющегося
количества мочевины при 25oC в обычных условиях разлагается водой за 3200 лет,
а в присутствии фермента уреазы время ее "полупревращения" при той же
температуре составляет 10-4 сек. Всего в организме человека функционирует
свыше 30 тыс. различных ферментов; каждый из них служит эффективным
катализатором соответствующей реакции.
Рассматривая гетерогенные реакции, нетрудно заметить, что они тесно связаны
с процессами перемещения фщ. единиц веществ, вступающих в реакцию, и новых
веществ. Так, для осуществления постоянного процесса горения угля необходимо,
чтобы диоксид углерода, образующийся при этой реакции, все время удалялся бы
от поверхности угля, а новые количества кислорода подходили бы к ней. Поэтому
в ходе гетерогенной реакции можно выделить по меньшей мере три стадии:
1) подвод реагирующих веществ;
2) химическая реакция;
3) отвод продуктов реакции.
Скорость химической реакции, которую в свою очередь можно разбить на
подстадии, определяется скоростью наиболее медленной подстадии. Стадия,
определяющая скорость протекания всей реакции в целом, называется лимитирующей
стадией. В одном случае это может быть отвод или подвод веществ, в другом -
собственно химическая реакция.
Все химические реакции делятся на необратимые и обратимые. Необратимые
реакции протекают до конца - до полного израсходования одного из реагирующих
веществ. Обратимые реакции протекают не до конца: при обратимой реакции ни
одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Поэтому необратимая
реакция может протекать только в одном направлении, обратимая - как в прямом,
так и в обратном направлениях. В начале обратимой реакции, при смешении
исходных веществ, скорость прямой реакции велика, а скорость обратной - равна
нулю. По мере протекания реакции исходные вещества расходуются и их
концентрации падают. В результате этого уменьшается скорость прямой реакции.
Одновременно появляются продукты реакции и их концентрация возрастает.
Вследствие этого начинает идти обратная реакция, причем ее скорость постепенно
увеличивается. Когда скорости прямой и обратной реакций становятся
одинаковыми, наступает химическое (динамическое) равновесие.
Изменяя условия, в которых пребывает система, - концентрацию веществ,
давление, температуру - можно изменять скорости прямой и обратной реакций.
Тогда равновесие в системе нарушается и сдвигается в сторону той реакции,
скорость которой стала больше. Так, при увеличении концентрации реагентов
скорость прямой реакции, естественно, возрастает и равновесие смещается в
сторону прямой реакции, в сторону большего выхода продуктов. Большего выхода
продуктов можно добиться и при систематическом выведении их из сферы реакции,
приводящем к снижению их концентрации в системе и к уменьшению скорости
обратной реакции по сравнению с прямой. Для химических систем, содержащих
газообразные вещества, изменение давления оказывает на смещение равновесия
влияние, аналогичное изменению концентрации газов. При этом в большей мере
изменяется скорость той реакции, в которой учавствует большее количество
молекул газов. Изменение температуры оказывает влияние на сдвиг химического
равновесия для процессов, сопровождающихся тепловыми эффектами. Если прямая
реакция экзотермична, то обратная - эндотермична, и наоборот. Для обратимых
реакций энергия активации эндотермического процесса больше энергии активации
экзотермического процесса.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84