 |
РАЗДЕЛ III. Кинетика, катализ, химическое равновесие
|
|
|
|
Актуальность
Практически все биохимические реакции, протекающие в живых организмах, являющиеся каталитическими, т.е. осуществляются в присутствии биокатализаторов-ферментов. Все ферментативные биохимические реакции подчиняются законам кинетики в приложении к биосистемам.
В основе кинетики различных биологических процессов, направлении биохимических реакций, биоэлектрических явлений, проницаемости биологических мембран, лежит химическая кинетика – учение о скорости химических реакций.
Методы кинетики биологических процессов широко применяются при изучении физико-химических механизмов возникновения патологических состояний организмов, динамики ферментативных процессов (нормы и патологии), в фармакокинетике, иммунокинетике.
Понимание основных закономерностей химической кинетики, катализа и состояния химического равновесия необходимо для изучения бионеорганической, биологической и токсикологической химии, фармакологии, действия на живой организм различных лекарственных препаратов.
Цель: получить системные знания о закономерностях протекания химических и биохимических реакций, влияния различных факторов на скорости реакции.
III. 6 Кинетика, катализ, химическое равновесие
Кинетика – раздел физической химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций.
Скорость химической реакции – это число элементарных актов реакции в единицу времени в единицу объема (для гомогенных систем) или на единицу поверхности раздела фаз (для гетерогенных систем)
Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций – закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна действующим массам – молярным концентрациям реагирующих веществ, взятым в степени соответствующих стехиометрических коэффициентов: а А + bB = сС + dD
|
|
|
Vпр.р. = k[A]a ∙ [B]b
Vобр.р. = k[C]c ∙ [D]d
k – константа скорости химической реакции
Закон действующих масс (примеры)
1. Гомогенные реакции:
2NO(г) +O2(г) = 2NO2(г)
Vпр.р.=k[NO]2∙[O2]
2. Гетерогенные реакции
Zn(тв) +2HCl(ж) = ZnCl2(р-р) + H2(г)
Vпр.р.= k[HCl]2
Молекулярность простых реакций
а) мономолекулярные I2 = I + I
б) бимолекулярные I2 + H2 = 2HI
в) тримолекулярные O2 +2H2 =2 H2O
Влияние температуры на скорость химических реакций
Закон Вант-Гоффа ( Вант-Гофф Якоб Хендрик (1852 – 1911) - голландский химик, один из основателей современной физической химии и стереохимии): при повышении t на каждые 10 градусов скорость химической реакции увеличивается в 2–4 раза
V t2 =V t1 · γ
k t2 =k t1 · γ
Влияние катализаторов на скорость химических реакций
Катализаторы – вещества, изменяющие скорость химических реакций
Катализ – изменение скорости реакции под действием катализаторов.
Особенности биокатализаторов:
1. Высокая эффективность:
а) без каталазы:
2H2O2 = 2H2O +O2 (Ea = 75 кДж/моль)
б) с каталазой:
2H2O2 = 2H2O +O2 (Ea = 23 кДж/моль)
V химической реакции увеличивается в 3·1011 раз
2. Ориентационный эффект (повышает скорость биохимических реакций примерно в 1000 раз);
3. Полифункциональный эффект (одновременное действие на молекулу субстрата нескольких активирующих групп фермента);
4. Специфичность действия (один фермент катализирует только одну биохимическую реакцию или её стадию);
5. Действует в условиях постоянных температур (10о–60 оС);
6. Действие ферментов зависит от pH среды (pH=4–10).
Прогнозирование смещения химического равновесия
Принцип Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывать внешнее воздействие, то равновесие сместится в сторону той из двух реакций, которая противодействует данному изменению.
|
|
|
А(г) + B(г) = С(г) + Q
Для смещения равновесия вправо необходимо:
Повысить t, повысить P, повысить [A] и [B], понизить [C].
Вопросы для самоконтроля
1. Что понимают под средней скоростью химической реакции?
2. Что понимают под истинной скоростью химической реакции?
3. В каких единицах в системе СИ выражают скорость химических и биохимических реакций?
4. Какие факторы оказывают влияние на скорость химических и биохимических реакций?
5. В чём состоят особенности биохимических реакций?
6. Каковы особенности биологических катализаторов?
7. Где в медицинской и фармацевтической практике используются законы кинетики?
Задания для самоконтроля
1. В колбе объёмом 10 л содержится 50,8 г газообразного йода, 128 г йодоводорода и 0,5 г водорода. Рассчитайте константу равновесия реакции
I2 + H2 = 2HI, выраженную через молярные концентрации.
а) 0,05; б) 20; в) 200; г) 0,005.
2. В колбе объёмом 1л содержится 3,0 г газообразного оксида азота (II), 0,8 г кислорода и 2,3 г оксида азота (1V) Рассчитайте константу равновесия реакции 2NO + O2 = 2NO2,выраженную через молярные концентрации.
а) 10; б) 0,1; в) 20; г) 0,05;
3. В колбе объёмом 10 л установилось химическое равновесие I2 + H2 = 2HI. Равновесная концентрация йодоводорода составила 0,2 моль/л. Как изменится скорость обратной реакции, если в колбу добавить 128 г HI?
а) уменьшится в 2 раза;
б) увеличится в 1,5 раза;
в) увеличится в 2,25 раз;
г) не изменится.
4.Оцените справедливость суждений:
А. При нагревании скорость многих реакций уменьшается.
Б. Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само в ней не участвует.
а) верно только А;
б) верно только Б;
в) верны оба суждения;
г) оба суждения неверны.
5. Давление влияет на скорость реакции между:
а) гидроксидом цинка и азотной кислотой;
б) цинком и серной кислотой;
в) аммиаком и кислородом;
г) серой и алюминием.
6. При увеличении температуры от 10 до 50оС скорость реакции увеличилась в 16 раз. Определите её температурный коэффициент.
7. Срок годности лекарственного препарата про 20 градусах составляет 0,5 года, а при 10 градусах – 1,5 года. Определите температурный коэффициент скорости данной реакции.
|
|
|
8. Константа равновесия реакции
СН3СООН + С2Н5ОН ↔ СН3СООС2Н5 + Н2О
равна 1. Вычислите равновесные концентрации всех компонентов системы, если начальные концентрации СН3СООН и спирта равны 2 моль/л и 1 моль/л соответственно.
9. В сосуд объемом 0,5 литров было помещено моль Н2 и 0,5 моль N2. При некоторой температуре к моменту равновесия образовалось 0,02 моль NН3. Вычислите константу равновесия.
10. Определите направление смещения равновесия следующих обратимых реакций при повышении температуры и увеличения концентрации продукта реакции:
а) 2SO2+O2 ↔ 2SO3 + 192,7 кДж
б) N2O4 ↔ 2NO2 – 54,47 кДж
11. В каком направлении сместится равновесие следующих обратимых реакций:
а) С+Н2О ↔ СО+Н2 – 129,9 кДж
б) N2+3Н2 ↔ 2NH3 + 92,2 кДж
при повышении давления; при повышении температуры? Как при этом будут изменяться концентрации компонентов каждой системы?
12. Как изменить температуру, давление и концентрации компонентов, чтобы увеличить выход хлора в реакции
4НCl +O2↔2H2O+2Cl2 + 113,3 кДж
13. Оцените справедливость утверждений
А. На химическое равновесие не влияет площадь поверхности реагирующих веществ.
Б. В состоянии химического равновесия концентрация исходных веществ равна концентрации продуктов реакции.
а) верно только А; б) верно только Б;
в) Верны оба утверждения; г) оба утверждения неверны.
Раздел IV. Растворы
Актуальность
Изучение свойств растворов имеет большое значение.
· Все биохимические реакции протекают в растворах.
· Действие лекарственных форм эффективно только в растворенном состоянии.
· Все биологические жидкости (кровь, лимфа, слюна, желудочный сок, желчь, моча, спино-мозговая жидкость и т.д) являются растворами органических и неорганических соединений в единственном биорастворителе – воде.
Кислотно-основной гомеостаз (постоянство рН биологических жидкостей, тканей и органов), а также постоянство концентрации солей и органических соединений в жидких средах организма поддерживается системой биохимических механизмов. Регуляция кислотно-щелочного гомеостаза осуществляется буферными системами. Благодаря действию буферных систем значение рН различных сред организма удерживается в строго определенном диапазоне. Например, рН сыворотки крови 7,4 ± 0,05, рН желудочного сока 0,8–2, рН слюны 6,35–6,85 и т.д.
|
|
|
Растворы электролитов играют важную роль в процессах жизнедеятельности организмов. Если отвлечься от физиологических функций каждого отдельного иона и охарактеризовать их совместное действие, то следует отметить, что ионы определяют величину осмотического давления биологических жидкостей, влияют на кислотно-щелочной баланс крови, влияют на растворимость белков и образуя гидраты, удерживают воду.
Цель: сформировать системные знания о растворах, их свойствах и значении для жизнедеятельности живых организмов.
|
|
|
