Определите вид катализа и запишите уравнения следующих реакций

Урок химии на тему «Катализ». 11-й класс

Класс: 11

Презентация к уроку

Цели: Показать влияние на скорость химических реакций такого явления как катализ. Рассмотреть классификацию химических реакций по участию катализатора и по фазовому состоянию реагирующих веществ и катализатора.

Требования к уровню подготовки учащихся

Знать и понимать:

• Определения понятий «катализ», «гомогенный катализ», «гетерогенный катализ», «катализаторы», «ферменты», «ингибиторы», «каталитические яды», «промоторы»;
• Примеры гомогенного и гетерогенного катализа;
• Области применения катализаторов, в том числе и ферментов;

• Объяснять зависимость скорости химической реакции от действия катализаторов.

ТСО: персональный компьютер, мультимедийный проектор.

Реактивы и оборудование: чашки Петри, химические цилиндры, химические колбы, керамическая пластина, шпатель, пипетка, лучинка, спиртовка; водный раствор аммиака, сульфат меди (II), жидкое моющее средство, пероксид водорода, дихромат аммония, вода, роданид калия, хлорид железа (III), тиосульфат натрия, хлорид натрия кристаллический, морковный сок, вареная морковь, картофельный сок, вареный картофель, кристаллический йод, порошок алюминия.

Перед уроком можно подготовить карточки с фамилиями учеников данного класса, в присутствии детей перемешать их, а далее можно использовать:

• Взять одну карточку и объявить, что выбрали кандидатуру учащегося, кто в конце урока будет обобщать услышанный материал (имя учащегося объявляется по завершению объяснения темы);
• Можно использовать карточки, если нужно вызвать учащегося для демонстрации опыта, для деления на группы.

Учитель высыпает на керамическую пластину 1г алюминиевого порошка и 4г тонко растертого йода конусообразной кучкой. Взаимодействия не происходит. Учитель спрашивает учащихся:

– Процесс взаимодействия этих веществ происходит очень медленно. Верите ли вы, что я смогу увеличить скорость данной реакции?

(Учитель добавляет 2-3 капли катализатора – воды и учащиеся наблюдают появление света и фиолетовых паров йода. Реакция проводится в вытяжном шкафу.)

Запишите реакцию в таблицу. Все реакции, которые будут осуществляться во время урока учителем и учащимися, записываются в данную таблицу.

Далее учитель предлагает учащимся послушать арабскую притчу «Восемнадцать верблюдов»:

Жил когда-то на Востоке человек, который разводил верблюдов. Всю жизнь он работал, а когда состарился, то позвал к себе сыновей и сказал:
«Дети мои! Я стал стар и немощен и скоро умру. После моей смерти разделите оставшихся верблюдов так, как я вам скажу. Ты, старший сын, работал больше всех — возьми себе половину верблюдов. Ты, средний сын, только начал мне помогать — возьми себе третью часть. А ты, младший, возьми девятую часть».
Прошло время, и старик умер. Тогда сыновья решили разделить наследство так, как завещал им отец. Они выгнали стадо на большое поле, пересчитали, и оказалось, что в стаде всего семнадцать верблюдов. И нельзя было разделить их ни на 2, ни на 3, ни на 9! Что было делать — никто не знал. Стали сыновья спорить, и каждый предлагал своё решение. И они уже устали спорить, но так и не пришли к общему решению.
В это время ехал мимо путник на своём верблюде. Услышав крик и спор, он спросил: «Что случилось?»
И сыновья рассказали о своей беде. Путник слез с верблюда, пустил его в стадо и сказал: «А теперь разделите верблюдов, как велел отец».
И так как верблюдов стало 18, то старший сын взял себе половину, то есть 9, средний — треть, то есть 6 верблюдов, а младший девятую часть, то есть двух верблюдов. И когда они разделили, таким образом, стадо, в поле остался ещё один верблюд, потому что 9+6+2 равно 17.
А путник сел на своего верблюда и поехал дальше.

Какова роль восемнадцатого верблюда? И какая связь этой притчи с темой нашего урока?

В течение урока нам необходимо найти ответы на следующие вопросы:

1. Что такое катализатор и каталитические реакции?
2. Привести примеры известных вам каталитических реакций из органической и неорганической химии. Указать названия веществ – катализаторов.
3. Высказать предположение о механизме действия катализаторов.
4. Каково значение каталитической реакции?

В результате обсуждения первого вопроса с учащимися учитель сообщает, что одним из наиболее распространённых в химической практике методов ускорения химических реакций является катализ.

Катализ (от греч. сatalysis – разрушение) – изменение скорости химической реакции при воздействии веществ (катализаторов или ингибиторов), которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов.

Катализаторы – вещества, повышающие скорость химических реакций, но состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.

Ингибиторы – вещества, замедляющие скорость химических реакций, но состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.

(если нет возможности провести демонстрацию опытов, то на слайде есть видеоролики с данными опытами, необходимо кликнуть на розовый прямоугольник )

Примером гомогенного катализа может служить взаимодействие пероксида водрода с сульфатом тетраамминмеди (II).

Демонстрация опыта (приглашается учащийся, выбрать с помощью карточек):

В химический стакан добавляем несколько капель жидкого мыла, далее добавляем 2 мл раствора комплексной соли, а затем приливаем пероксид водорода. Наблюдаем реакцию вспенивания жидкого мыла.

Данную реакцию необходимо зафиксировать в таблицу.

Примером гетерогенного катализа является каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха в присутствии оксида хрома (III).

Демонстрация опыта (проводит учитель):

В химическую колбу ёмкостью 500 мл помещаем раствор аммиака и закрываем пробкой. На спиртовке нагреваем дихромат аммония, затем помещаем в колбу с аммиаком. Наблюдаем реакцию «звёздный дождь».

Опыт фиксируем в таблицу.

Как вы думаете, как же катализаторы работают? Вспомните притчу о

восемнадцати верблюдах. (Учащиеся предлагают различные гипотезы)

Лабораторные опыты выполняются учащимися, но на слайдах описан порядок действий:

В стаканчик с 3 мл воды добавляют по 1 капле растворов роданида кали и хлорида железа (III). Образующийся раствор красного цвета наливают в 2 пробирки, заполняя их поровну. В две другие пробирки по 2 мл тиосульфата натрия и в одну из них добавляют 2 капли раствора сульфата меди (II) – катализатора. Далее учащиеся проводят две реакции:
а) к раствору роданида железа (III) добавить раствор тиосульфата натрия,
б) к раствору роданида железа (III) добавить раствор тиосульфата натрия и 2 капли сульфата меди (II)

Наливают в две пробирки по 2 мл раствора сульфата меди (II) и помещают в каждую по грануле алюминия. В одну из пробирок добавляют несколько кристаллов катализатора – поваренной соли.

(Записать уравнения реакций в таблицу)

Механизм действия катализатора:

По результатам исследований, что можно сказать о том, как работает катализатор?

Современные представления о катализе сводятся к следующему (разумеется, в самом упрощенном варианте). Есть исходные вещества, атомы, образующие исходные молекулы, можно представить так, что в продукте они будут связаны между собой иными, даже более прочными связями. Т.е. внутренняя энергия системы, состоящей из атомов после «перестановки».

Химическая реакция превращения исходных реагентов в продукты могла бы пройти, но что-то мешает. При описании трехмерной энергетической картины каталитической реакции используют такие образы – «долина исходных веществ», «долина продуктов». Между ними – хребет, энергетический барьер. Он не подпускает атомы настолько близко друг к другу, чтобы они могли поменяться местами и образовать новые, более прочные связи. И перепрыгнуть просто так хребет не получается. А катализаторы оказываются теми самыми проводниками, которые позволяют найти необходимый путь – перевал с высотой поменьше. Там, на перевале катализатор образует промежуточный активированный комплекс, один сразу или несколько последовательно, и соединяет, в конце концов, атомы исходных веществ между собой в ином, нужном исследователям сочетании. Потом он позволяет молекулам новых соединений благополучно скатиться в долину продуктов, а сам удаляется, чтобы соединить новые пары, в идеале – оставшись неизменным. В реальности, правда, он оказывается, изрядно подпорчен каталитическими ядами и прочими невзгодами.

Существует ряд теорий, объясняющих механизм действия катализаторов. Для понимания механизма гомогенного катализа предложена теория промежуточных соединений.

Сущность этой теории заключается в том, что если медленно протекающую реакцию А + В → АВ вести в присутствии катализатора К, то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение:

Затем промежуточное соединение АК взаимодействует с другим исходным веществом, при этом катализатор освобождается:

Если теперь оба процесса суммировать, то получим исходное уравнение:

После обсуждения третьего вопроса, учащиеся делают вывод с помощью учителя, что катализатор доставляет реагирующим частицам необходимую энергию для эффективных соударений, т.е. катализатор снижает необходимую для реакции энергию активации, предоставляя реагентам альтернативный путь разрушения и образования связей.

Катализаторы обладают определёнными свойствами:

1. Катализаторы не создают процесса, а только изменяют его скорость;
2. Для обратимых реакций катализаторы не смещают равновесие и не влияют на константу равновесия, а лишь ускоряют процесс достижения равновесного состояния;
3. Катализатор снижает необходимую для реакции энергию активации, предоставляя реагентам альтернативный путь разрушения и образования связей;
4. Катализаторы обладают избирательностью, т.е. ускоряют только одну из нескольких реакций.

Избирательность катализаторов мы можем пронаблюдать на следующем примере.

Строгая избирательность и высокая скорость –два основных признака ферментативного катализа, отличающие его от лабораторного и производственного катализа. Ни один из созданных руками человека катализаторов не может сравниться с ферментами по силе и избирательности воздействия на органические молекулы.

Ферменты отличаются особой специфичностью, каждый из них ускоряет только одну химическую реакцию с выходом 100%. Ингибиторы в живом организме подавляют различные вредные реакции окисления в клетках тканей, которые могут инициироваться радиоактивным излучением.

Биологические катализаторы – ферменты.

1 группа учащихся:

Лабораторный опыт: В две чашки Петри помещаем перекись водорода, в первую чашку помещаем кусочек вареного картофеля, в другую – картофельный сок.

2 группа учащихся:

Лабораторный опыт: В две чашки Петри помещаем перекись водорода, в первую чашку помещаем кусочек вареной моркови, в другую – морковный сок.

Пероксид водорода – ядовитое вещество, образующееся в клетке в процессе жизнедеятельности. Принимая участие в обезвреживании ряда токсических веществ, оно может вызвать самоотравление (денатурацию белков, в частности, ферментов). Накоплению Н2О2 препятствует фермент каталаза, распространенный в клетках, способных существовать в кислородной атмосфере. Фермент каталаза, расщепляя Н₂О₂ на воду и кислород, играет защитную роль в клетке. Фермент функционирует с очень большой скоростью, одна его молекула расщепляет за 1с 200 000 молекул Н₂О₂→2 Н₂О + О₂

Значение катализа

1. С помощью катализатора многие полезные ископаемые можно превратить в полезные синтетические материалы;
2. Производство твёрдых жиров, например маргарина, из жидких масел невозможно без катализатора;
3. В хлебопечении большое значение имеет фермент амилаза, расщепляющий крахмал, и протеаза, расщепляющий белок. От активности амилазы зависит скорость брожения теста;
4. В спиртовой и пивоваренной промышленности источником амилазы может быть солод и микробные препараты;
5. В виноделии и ферментации табака большое значение имеет фермент полифенолоксидаза, от активности которого зависят букет и цвет вина и качество табака;
6. Некоторые ферменты, например пепсин, применяют в медицине
7. Каталитические явления широко распространены в природе: дыхание, усвоение питательных веществ клетками, синтез белков.

Поиск подходящего катализатора для химической реакции – это настоящее искусство. Здесь учитывается все – размеры молекул, их энергия, ориентация в пространстве, доступность, возможный экономический эффект и много других факторов. Неслучайно, большинство катализаторов, используемых в химической промышленности, запатентованы, а многие даже засекречены. Создание нового эффективного катализатора – это серьезное научное открытие, которое часто удостаивается престижных премий. За открытия в области катализа были присуждены семь Нобелевских премий по химии. Американский химик Ричард Зейр считает катализ понятием, «которое наиболее полным образом характеризует суть химии», так как он не только демонстрирует способность веществ к превращениям, но и подчеркивает роль человека в этом процессе, демонстрирует нашу способность управлять окружающим нас миром.

В заключение урока давайте проверим таблицу с каталитическими реакциями, которые мы провели за сегодняшний урок.

(Далее учитель достает карточку с фамилией ученика, которому предлагает на доске составить синквейн, посвященный изученной теме).

Список используемой литературы.

Определите вид катализа и запишите уравнения следующих реакций

Главная
• Список секций
• Химия
• ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ КАТАЛИЗА

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ КАТАЛИЗА

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Катализ распространен в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (большая часть всех промышленных реакций — каталитические). Поэтому мы решили подробнее изучить данное явление.

Объект исследования: катализ

Предмет исследования: условия, влияющие на протекание процесса катализа

Гипотеза: если будет выявлена зависимость протекания катализа от различных факторов и созданы соответствующие условия, то практическое применение катализа будет эффективным

Цель: выявить зависимость протекания катализа от различных факторов, определяющих его практическое применение

Задачи:

1) Изучить историю развития теории катализа в химии

2) Исследовать виды катализа

3) Изучить условия протекания каталитических реакций

4) Экспериментально доказать влияние катализаторов и условий протекания реакций на их скорость, что определяет их практическое применение

2. Основная часть

Катализ — изменение скорости химической реакции при воздействии веществ (катализаторов или ингибиторов), которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов.

Катализаторы — вещества, повышающие скорость химических реакций, состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.

Ингибиторы- вещества, замедляющие скорость химических реакций, состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.

2.1. Изучение истории развития теории катализа в химии

Слово «катализ», вероятно, впервые введено в 16 веке химиком А. Либавиусом в его учебнике «Алхимия» и имело значение «разложение» или «разрушение». В 1835 г. этот термин узаконен И. Берцелиусом для реакций, протекающих в присутствии посторонних соединений, которые сами как будто в реакции не участвуют. Точнее Берцелиус писал о каталитической силе, приводящей к разложению тел.

На самом деле даже “небиологический”, т.е. неферментативный катализ был известен задолго до Либавиуса и тем более Берцелиуса. Первый известный нам пример небиологического каталитического процесса — синтез диэтилового эфира из спирта при участии серной кислоты (8 в., Джабир ибн Хайам). Вторично эта реакция была открыта в 1540 г. Валерием Кордусом и получила технологическое оформление в работах С. Фробениуса.

В 17 и 18 веках во время создания научных основ химии было открыто несколько каталитических реакций с участием небиологических катализаторов. Так, в 1666 г. А. Лефебр и Н. Лемери разработали камерный способ синтеза серной кислоты, базируясь на предыдущих разработках. Это 17 век. И только в конце следующего, 18 века, механизм синтеза серной кислоты изучен М. Клеманом и Х. Дезормом.

18-19 века в целом характеризуются бурным развитием промышленности, однако химическая промышленность только начинает зарождаться, востребованы в больших количествах в первую очередь минеральные кислоты, поэтому появляются каталитические процессы получения H₂SO₄, затем – процессы получения HNO₃.

Конец 19 — начало 20 веков – развитие сельского хозяйства –необходимость в минеральных удобрениях. Появляется габеровский процесс синтеза аммиака и процесс окисления аммиака, то есть синтез азотной кислоты.

30-40-е годы 20-го века:

Германия, активно развивающая военную промышленность и нуждающаяся в горючем для военной техники, отрезана от источников углеводородного сырья. Такая ситуация провоцирует бурный всплеск работ по получению синтетического горючего из альтернативных источников сырья. Это работы Фишера-Тропша и работы Реппе.

И, наконец, 50-60-е годы прошлого века – начало бурного развития нефтехимии и химии полимеров – Циглер и Натта создают катализаторы полимеризации олефинов, появляются процессы получения кислородсодержащих продуктов при окислении олефинов.

2.2. Исследование видов катализа

По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на положительный (скорость реакции растет) и отрицательный (скорость реакции падает). В последнем случае происходит процесс ингибирования, который нельзя считать ‘отрицательным катализом’, поскольку ингибитор в ходе реакции расходуется.

Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой (Приложение 1).

Отдельно стоит упомянуть микрогетерогенный катализ, при котором катализатор находится в коллоидном или высокомолекулярном состоянии. Примерами этого рода катализа могут служить биокаталитические процессы, в которых катализаторами являются ферменты, ускоряющие многие химические реакции, существенные для протекания жизненных процессов.

По характеру промежуточного взаимодействия различают две группы каталитических реакций – кислотно-основного и окислительно-восстановительного катализа.

В реакциях первой группы имеет место промежуточное кислотно-основное взаимодействие реагирующих веществ с катализатором, то есть переход протона от катализатора к одному из реагирующих веществ или, наоборот, от реагирующего вещества к катализатору. При последующих стадиях каталитической реакции протон перемещается в обратном направлении и катализатор восстанавливает свой состав. Примерами кислотно-основного катализа могут служить: гидролиз сложных эфиров, ускоряемый кислотами, гидратация олефинов в присутствии фосфорно-кислотных катализаторов, изомеризация крекинг углеводородов на алюмосиликатных катализаторах и многие другие реакции.

При реакциях окислительно-восстановительного катализа промежуточное взаимодействие связано с электронными переходами между катализатором и реагирующими веществами. К этой группе каталитических реакций относятся окисление двуокиси серы в триокись в производстве серной кислоты, окисление аммиака до окиси азота при получении азотной кислоты, многочисленные реакции парциального окисления органических соединений, например этилена в окись этилена, нафталина во фталевый ангидрид, гидрогенизация, дегидрогенизация, циклизация и ароматизация углеводородов, разложение перекиси водорода, восстановление и окисление ионов металлов в растворах и многие другие реакции.

Для объяснения механизма каталитических реакций были предложены три группы теорий: геометрические, электронные и химическая. В геометрических теориях основное внимание обращено на соответствие между геометрической конфигурацией атомов активных центров катализатора и атомов той части реагирующих молекул, которая ответственна за связывание с катализатором. Электронные теории исходят из представления, что хемосорбция обусловливается электронным взаимодействием, связанным с переносом заряда, эти теории связывают каталитическую активность с электронными свойствами катализатора. Химическая теория рассматривает катализатор как химическое соединение с характерными свойствами, которое образует химические связи с реагентами, в результате чего формируется нестабильный переходный комплекс. После распада комплекса с высвобождением продуктов катализатор возвращается в исходное состояние. Последняя теория считается сейчас наиболее адекватной.

2.3. Изучение условий протекания каталитических реакций

Катализаторы изменяют скорость химической реакции за счёт изменения механизма её протекания. Допустим, между веществом А и веществом В возможно взаимодействие с образованием вещества АВ: А + В → А…В → АВ

Энергия активации этой реакции большая – поэтому реакция протекает с очень малой, практически равной нулю, скоростью. Допустим, имеется вещество К (катализатор) , которое, легко вступая во взаимодействие с веществом А, образует соединение АК: А + К → А…К → АК

Эта реакция протекает быстро, т. к. её энергия активации мала. Соединение АК по той же причине легко взаимодействует с веществом В образуя вещества АВ и К: В + АК → В…А…К → АВ + К. Энергетическая схема реакции представлена в Приложении 2.

Суммируя два последних уравнения, получим:

Таким образом, вещество К приняло участие в процессе, но в результате него осталось химически неизменным. При отсутствии катализатора реакция протекала при непосредственном взаимодействии веществ А и В очень медленно. Каталитическая реакция происходит в две стадии: через образование промежуточного соединения АК – очень быстро.

3. Экспериментальная часть

Для практического изучения явления катализа мы провели ряд опытов, фото которых помещены в Приложение 3.

Эксперимент №1. Процесс катализа.Реакция проводилась в вытяжном шкафу. Мы перемешали 1 г алюминиевого порошка и 4 г растёртого в ступке йода. Затем высыпали конусообразной кучкой. Признаков реакции не наблюдалось, тогда мы добавили пару капель воды. Постепенно начал выделяться густой фиолетовый дым (фото1). В этой реакции вода выступает в роли катализатора.

Эксперимент №2. Пример гомогенного катализа. Мы проводили реакцию разложения пероксида водорода в присутствии раствора сульфата тетраамминмеди (II) [Cu(NH₃₎₄]SO₄. Катализатор мы приготовили зарание, смешав сульфат меди (II) с раствором аммиака.

Добавили в химический стакан несколько капель жидкого мыла для наглядности, затем 2 мл раствора комплексной соли, прилили пероксид водорода. Начал бурно выделяться кислород, вспенивая жидкое мыло (фото 2).

Эксперимент №3. Пример гетерогенного катализа.Мы окисляли аммиак кислородом воздуха в присутствии оксида хрома (III), который образуется при разложении дихромата аммония:

В химическую колбу ёмкостью 500 мл поместили раствор аммиака и закрыли пробкой. На спиртовке нагрели дихромат аммония, затем поместили в колбу с аммиаком. Частицы дихромата аммония заискрились из-за горящего вокруг них аммиака. Такой опыт называется «звездный дождь» (фото 3).

Эксперимент №4. Положительный и отрицательный катализатор. а) В химический стаканчик с 3 мл воды мы добавили по 1 капле растворов роданида калия и хлорида железа (III). Образовался раствор красного цвета, который налили в две пробирки поровну. В две другие пробирки по 2 мл тиосульфата натрия и в одну из них добавили несколько капель раствора сульфата меди (II) – катализатора. К раствору роданида железа (III) добавили раствор тиосульфата натрия. Раствор приобрёл жёлтый цвет. Ко второй пробирке с роданидом железа добавили тиосульфат натрия с сульфатом меди. Раствор также пожелтел, однако здесь выпал осадок (фото 4).

б) Мы налили в две пробирки по 2 мл раствора сульфата меди (II) и поместили в каждую по грануле алюминия. В одну из пробирок добавили несколько кристаллов катализатора – поваренной соли. В пробирке с катализатором гранула быстро покрылась налётом меди, а другая осталась неизменной. Хлорид натрия ускоряет процесс (фото 5).

в) Разложение пероксида водорода в присутствии борной кислоты. Процесс шел медленно, так как борная кислота Н₃ВО₃ выполняет роль ингибитора (фото 6).

Эксперимент №5. Биологические катализаторы – ферменты. а) В два стакана налили пероксид водорода, в первый стакан поместили кусочек варёного картофеля, а в другой картофельный сок. В первом стакане ничего не происходило, а во втором пероксид моментально начал разлагаться.

б) В два стакана налили пероксид водорода, в первый стакан поместили кусочек варёной моркови, а во второй морковный сок. Результаты соответствуют предыдущим (фото 7).

Пероксид водорода – ядовитое вещество, образующееся в клетке в процессе жизнедеятельности. Принимая участие в обезвреживании ряда токсических веществ, оно может вызвать самоотравление (денатурацию белков, в частности, ферментов). Накоплению Н₂О₂ препятствует фермент каталаза, распространенный в клетках, способных существовать в кислородной атмосфере. Фермент каталаза, расщепляя Н₂О₂ на воду и кислород, играет защитную роль в клетке. Фермент функционирует с очень большой скоростью, одна его молекула расщепляет за 1с 200 000 молекул.

Эксперимент №6. Качественное определение активности различных катализаторов. Катализаторами являлись оксид свинца (II) и оксид марганца (IV). В две пробирки мы внесли по 10 капель 3%-ного раствора пероксида водорода. В одну пробирку добавили немного оксида свинца, а в другую – столько же оксида марганца, и заметили время полного разложения в каждой. В пробирке с оксидом марганца разложение закончилось за 55 с, а в пробирке соксидом свинца за 7 мин. Из этого следует, что оксид марганца активнее оксида свинца.

Эксперимент №7. Изучение влияния количества катализатора на скорость разложения пероксида водорода. В две пробирки с помощью мерного цилиндра мы налили по 5 мл 3%-ного раствора пероксида водорода. В одну пробирку добавили на кончике шпателя порошка оксида марганца (IV), во вторую в два раза больше. В первой пробирке разложение закончилось за 2 мин 46 с, а во второй за 1 мин 35с. Следовательно, чем больше катализатора, тем быстрее проходит реакция.

Эксперимент №8. Автокатализ. Мы изучали явление автокатализа на примере взаимодействия перманганата калия с щавелевой кислотой, протекающей по уравнению:

Внесли в пробирку одну каплю раствора перманганата калия, добавили к раствору дистилированной воды в таком количестве, чтобы получился прозрачный розовый раствор. В сухую пробирку налили 10 капель полученного раствора, 2 капли щавелевой кислоты и 4 капли раствора серной кислоты. Встряхнули пробирку. Раствор обесцветился за 38 с. В другую пробирку налили тоже самое, предварительно добавив к смеси один кристаллик сульфата марганца (II). Раствор обесцветился мгновенно. В первом случае реакция постепенно ускоряется из-за увеличивающегося количества ионов марганца, являющихся катализатором. Во втором случае реакция проходит быстро, потому что ионы марганца присутствовали в растворе изначально.

4. Заключение

Применение катализаторов способствовало бурному развитию химической промышленности. Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс), нередко более дешевых, чем применявшиеся прежде. Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах. Особую роль играют каталитические процессы в охране окружающей среды.

1) Катализ позволяет проводить при обычных условиях реакции, которые требуют больших затрат энергии.

2) Катализ – это неотъемлемая часть нашей жизни. Он участвует во многих процессах.

Проведя исследовательскую работу, я выяснил, в чем заключается сущность процесса катализа, выявил зависимость протекания этого явления от различных факторов, определяющих его практическое применение.

Таким образом, гипотеза моего исследовавния подтверждена.

5. Список литературы

1. Афанасьев В.А., Заиков Г.Е. В мире катализа. М.: Наука, 1977. — 107 с.

2. Ахметов Н. С. Неорганическая химия. Учеб. для Вузов. — 4-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2001. — 743 с.

3. Балаев И.И. Домашний эксперимент по химии. М.: Просвещение, 1977

4. Збарский Б.И., Иванов И.И., Мардашев С.Р. Биологическая химия. Л.: Медицина. Лен. отд., 1972

5. Краткая химическая энциклопедия т. 1-5. Под ред. И.Л. Кнунянца, М.: «Советская энциклопедия», 1981-1987 гг.

6. Николаев Л.А. Химия жизни. М.: Просвещение, 1973

7. Ольгин О.М. Опыты без взрывов. М.: Химия, 1986

6. Приложения

Приложение 1. Классификация катализа

Приложение 2. Энергетическая схема каталитического процесса

Определите вид катализа и запишите уравнения следующих реакций

Во многих случаях скорость реакции резко изменяется в присутствии специальных веществ — катализаторов. Катализаторы участвуют в реакции, но в результате ее не расходуются. Катализаторы биологических процессов, протекающих в живых организмах, представляют собой белковые молекулы, которые называют ферментами, или энзимами.

Простейшая схема ферментативного катализа включает обратимое образование промежуточного комплекса фермента (E) с реагирующим веществом (субстратом, S) и разрушение этого комплекса с образованием продуктов реакции (P):

Применение квазиравновесного приближения к этой схеме (при условии k₂ > k₁). Применение этого метода к простейшей схеме катализа дает уравнение Михаэлиса-Ментен:

, (7.2)

где w_max = k₂ . [E]₀ — максимальная скорость реакции (при бесконечно большой концентрации субстрата),

— константа Михаэлиса. Эта константа равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной скорости. Типичные значения K_M — от 10 -6 до 10 -1 моль/л. Константу скорости k₂ иногда называют числом оборотов фермента. Она может изменяться в пределах от 10 до 10 8 мин -1 .

Уравнение (7.2) можно записать в других координатах, более удобных для обработки экспериментальных данных:

(7.2а)

(координаты Лайнуивера-Берка) или

. (7.2б)

Для определения параметров K_M и w_max по уравнениям (7.2а) и (7.2б) проводят серию измерений начальной скорости реакции от начальной концентрации субстрата и представляют экспериментальные данные в координатах 1/w₀ ё 1/[S]₀ или w₀ ё w₀/[S]₀.

Иногда течение ферментативной реакции осложняется присутствием ингибиторов — веществ, способных образовывать комплексы с ферментом или фермент-субстратным комплексом. Различают конкурентное, неконкурентное и смешанное ингибирование.

При конкурентном механизме ингибитор (I) конкурирует с субстратом за активные участки фермента. Простейшая кинетическая схема данного процесса имеет вид:

Применение квазистационарного приближения к комплексу ES и квазиравновесного приближения к комплексу EI с учетом уравнений материального баланса [E] + [ES] + [EI] = [E]₀ и [I] » [I]₀ дает для скорости реакции уравнение типа (7.2):

, (7.3)

где эффективная константа Михаэлиса связана с исходной концентрацией ингибитора:

; (7.3а)

Величину K_I = [E]. [I] / [EI], которая представляет собой константу диссоциации комплекса фермента с ингибитором, называют константой ингибирования. Таким образом, при конкурентном ингибировании увеличивается константа Михаэлиса, а максимальная скорость ферментативной реакции остается неизменной.

При неконкурентном механизме ингибитор обратимо связывает промежуточный комплекс фермента с субстратом. Простейшая кинетическая схема данного процесса имеет вид:

,

где предполагается, что константы диссоциации комплексов EI и ESI одинаковы: [E]. [I] / [EI] = [ES]. [I] / [ESI] = K_I. Применение квазистационарного приближения к комплексу ES и квазиравновесного приближения к комплексам EI и ESI с учетом уравнений материального баланса [E] + [ES] + [EI] + [ESI] = [E]₀ и [I] » [I]₀ дает для скорости реакции уравнение типа (7.2):

, (7.4)

где эффективная максимальная скорость связана с начальной концентрацией ингибитора выражением:

. (7.4а)

При неконкурентном ингибировании максимальная скорость реакции уменьшается, а константа Михаэлиса остается неизменной.

Смешанное ингибирование описывается более сложными кинетическими схемами. При смешанном ингибировании изменяются и константа Михаэлиса, и максимальная скорость ферментативной реакции.

Пример 7-1. Найдите константу Михаэлиса и максимальную скорость гидролиза аденозинтрифосфата, катализируемого миозином, по следующим кинетическим данным:

Решение. Уравнение Михаэлиса-Ментен в данных координатах имеет вид (7.2б), следовательно, точки пересечения с осями имеют координаты: (0;w_max) для оси ординат, (w_max/K_M;0) для оси абсцисс. Первая точка пересечения дает значение w_max = 2.1 . 10 -6 моль/(л. с). Вторая точка позволяет найти константу Михаэлиса: w_max/K_M = 14.6 . 10 -3 с -1 , K_M = 2.1 . 10 -6 / 14.6 . 10 -3 = 1.44 . 10 -4 моль/л.

Пример 7-2. Ферментативная реакция (K_M = 2.7 . 10 -3 моль/л) подавляется конкурентным ингибитором (K_I = 3.1 . 10 -5 моль/л). Концентрация субстрата равна 3.6 . 10 -4 моль/л. Сколько ингибитора понадобится для подавления реакции на 65%? Во сколько раз надо повысить концентрацию субстрата, чтобы уменьшить степень подавления до 25%?

Решение. 1) Конкурентное ингибирование описывается формулами (7.3) и (7.3а). 65%-ное подавление реакции означает, что скорость ингибируемой реакции составляет 35% от скорости реакции в отсутствие ингибитора:

,

откуда следует, что

.

В этой формуле известны значения K_M, K_I и [S]. Концентрация ингибитора равна:

6.5 . 10 -5 моль/л.

Уменьшение степени ингибирования до 25% означает, что скорость ингибируемой реакции составляет 75% от нормальной:

,

где в данном случае известны K_M, K_I и [I]₀. Отсюда можно выразить искомую концентрацию субстрата:

1.4 . 10 -2 моль/л.

Таким образом, для уменьшения степени ингибирования до 25% концентрацию субстрата надо увеличить в 1.4 . 10 -2 / 3.6 . 10 -4 = 40 раз.

7-1. Гидролиз ацетилхолина катализируется ферментом ацетилхолинэстеразой, число оборотов которой составляет 25000 с -1 . Сколько времени потребуется ферменту для расщепления одной молекулы ацетилхолина? (ответ)

7-2. Для некоторой ферментативной реакции константа Михаэлиса равна 0.035 моль/л. Скорость реакции при концентрации субстрата 0.110 моль/л равна 1.15 . 10 -3 моль/(л. с). Найдите максимальную скорость этой реакции.(ответ)

7-3. Начальная скорость окисления сукцината натрия в фумарат натрия под действием фермента сукциноксидазы была измерена для ряда концентраций субстрата:

0.0005

0.00033w . 10 6 , моль/(л. с)

Определите константу Михаэлиса данной реакции.(ответ)

7-4. Начальная скорость выделения O₂ при действии фермента на субстрат была измерена для ряда концентраций субстрата:

0.002w, мм 3 /мин

Определите константу Михаэлиса данной реакции.(ответ)

7-5. Найдите константу Михаэлиса и максимальную скорость каталитического разложения гидроперекиси тетралина по следующим кинетическим данным:

7-6. Найдите константу Михаэлиса и максимальную скорость каталитического окисления циклогексена трет-бутилпероксидом по следующим кинетическим данным:

7-7. Найдите константу Михаэлиса и максимальную скорость гидролиза карбобензилоксиглицилфенилаланина под действием карбоксипептидазы по следующим кинетическим данным:

7-8. Рассчитайте концентрацию неконкурентного ингибитора I (K_I = 2.9 . 10 -4 моль/л), необходимую для 90%-ного подавления ферментативной реакции.(ответ)

7-9. В некоторых случаях кинетические исследования ферментативных реакций проводят в условиях избытка фермента. Выведите уравнение Михаэлиса-Ментен, описывающее зависимость начальной скорости ферментативной реакции от начальных концентраций фермента и субстрата в системе

при условии, что концентрация фермента намного больше концентрации субстрата.(ответ)

*7-10. Рассмотрите механизм ферментативного катализа с двумя промежуточными комплексами:

Используя метод квазистационарных концентраций и уравнение материального баланса, покажите, что скорость реакции описывается уравнением типа Михаэлиса-Ментен (7.2). Найдите выражения для эффективной максимальной скорости и эффективной константы Михаэлиса через константы скорости отдельных стадий.(ответ)

7-11. Запишите уравнения конкурентного и неконкурентного ингибирования в координатах Лайнуивера-Берка. Представьте эти уравнения в графическом виде для трех разных начальных концентраций ингибитора (включая [I]₀ = 0). Объясните, как можно определить константу ингибирования.(ответ)

7-12. Запишите уравнения конкурентного и неконкурентного ингибирования в координатах w₀ w₀/[S]₀. Представьте эти уравнения в графическом виде для трех разных начальных концентраций ингибитора (включая [I]₀ = 0). Объясните, как можно определить константу ингибирования.(ответ)

*7-13. Рассмотрите схему неконкурентного ингибирования с разными константами диссоциации комлпексов:

Используя квазистационарное приближение для ES и квазиравновесное приближение для EI и ESI, найдите начальную скорость реакции. Как связаны максимальная скорость реакции и константа Михаэлиса с соответствующими величинами для неингибируемой реакции?(ответ)

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору