Kimyasal kinetik. Kimyasal reaksiyonların hızı

§ 12. ENZİMATİF TEPKİMELERİN KİNETİKLERİ

Enzimatik reaksiyonların kinetiği, enzimatik reaksiyonların oranlarının, çeşitli faktörlere bağımlılıklarının bilimidir. Bir enzimatik reaksiyonun hızı, belirli koşullar altında birim hacim başına birim zamanda reaksiyona giren substratın kimyasal miktarı veya sonuçtaki reaksiyon ürünü ile belirlenir:

burada v enzimatik reaksiyonun hızıdır, substratın veya reaksiyon ürününün konsantrasyonundaki değişikliktir ve t zamandır.

Bir enzimatik reaksiyonun hızı, aktivitesini belirleyen enzimin doğasına bağlıdır. Enzimin aktivitesi ne kadar yüksek olursa, reaksiyon hızı o kadar yüksek olur. Enzim aktivitesi, enzim tarafından katalize edilen reaksiyon hızı ile belirlenir. Enzim aktivitesinin bir ölçüsü, bir standart enzim aktivitesi birimidir. Standart bir enzim aktivitesi birimi, 1 µmol substratın dönüşümünü 1 dakikada katalize eden enzim miktarıdır.

Enzimatik reaksiyon sırasında, enzim (E) substrat (S) ile etkileşime girerek bir enzim-substrat kompleksinin oluşumuna neden olur, bu daha sonra enzimin salınımı ve reaksiyonun ürünü (P) ile ayrışır:

Bir enzimatik reaksiyonun hızı birçok faktöre bağlıdır: substrat ve enzimin konsantrasyonu, sıcaklık, ortamın pH'ı, enzimlerin aktivitesini artırabilen veya azaltabilen çeşitli düzenleyici maddelerin varlığı.

Bilmek ilginç! Enzimler tıpta çeşitli hastalıkları teşhis etmek için kullanılır. Kandaki kalp kasının hasar görmesi ve çürümesi nedeniyle miyokard enfarktüsünde aspartat transaminaz ve alanin aminotransferaz enzimlerinin içeriği keskin bir şekilde artar. Aktivitelerinin tanımlanması, bu hastalığın teşhisine izin verir.

Substrat ve Enzim Konsantrasyonlarının Enzimatik Reaksiyon Hızına Etkisi

Substrat konsantrasyonunun enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisini düşünün (Şekil 30.). Düşük substrat konsantrasyonlarında hız, konsantrasyonu ile doğru orantılıdır; daha sonra artan konsantrasyonla reaksiyon hızı daha yavaş artar ve çok yüksek substrat konsantrasyonlarında hız pratikte konsantrasyonundan bağımsızdır ve maksimum değerine (Vmax) ulaşır. . Bu tür substrat konsantrasyonlarında, tüm enzim molekülleri, enzim-substrat kompleksinin bir parçasıdır ve enzimin aktif bölgelerinin tam doygunluğu sağlanır, bu nedenle bu durumda reaksiyon hızı, substrat konsantrasyonundan pratik olarak bağımsızdır.

Pirinç. 30. Enzimatik reaksiyon hızının substrat konsantrasyonuna bağımlılığı

Enzim aktivitesinin substrat konsantrasyonuna bağımlılığının grafiği, adını çalışmaya büyük katkı sağlayan seçkin bilim adamları L.Michaelis ve M.Menten'in onuruna alan Michaelis-Menten denklemi ile açıklanmaktadır. enzimatik reaksiyonların kinetiği,

burada v enzimatik reaksiyonun hızıdır; [S] substrat konsantrasyonudur; KM, Michaelis sabitidir.

Michaelis sabitinin fiziksel anlamını ele alalım. v = ½ V max olması koşuluyla, K M = [S] elde ederiz. Böylece, Michaelis sabiti, reaksiyon hızının maksimumun yarısı olduğu substrat konsantrasyonuna eşittir.

Enzimatik reaksiyonun hızı aynı zamanda enzimin konsantrasyonuna da bağlıdır (Şekil 31). Bu ilişki lineerdir.

Pirinç. 31. Enzimatik reaksiyon hızının enzim konsantrasyonuna bağımlılığı

Sıcaklığın enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi

Enzimatik reaksiyon hızının sıcaklığa bağımlılığı, Şek. 32.

Pirinç. 32. Enzimatik reaksiyon hızının sıcaklığa bağımlılığı.

Düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 40 - 50 o C'ye kadar), van't Hoff kuralına göre her 10 o C'de bir sıcaklıktaki artışa, kimyasal reaksiyon hızında 2 - 4'lük bir artış eşlik eder. zamanlar. 55 - 60 ° C'nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda, termal denatürasyonu nedeniyle enzimin aktivitesi keskin bir şekilde azalır ve sonuç olarak enzimatik reaksiyon hızında keskin bir düşüş gözlenir. Enzimlerin maksimum aktivitesi genellikle 40 - 60 o C aralığında gözlenir. Enzim aktivitesinin maksimum olduğu sıcaklığa optimum sıcaklık denir. Termofilik mikroorganizmaların enzimlerinin sıcaklık optimumu, daha yüksek sıcaklıklar bölgesindedir.

pH'ın enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi

Enzimatik aktivitenin pH'a bağımlılığının grafiği, Şek. 33.

Pirinç. 33. pH'ın enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi

pH-bağımlılık grafiği çan şeklindedir. Enzim aktivitesinin maksimum olduğu pH değerine denir. pH optimum enzim. Çeşitli enzimler için pH optimum değerleri çok değişkendir.

Enzimatik reaksiyonun pH'a bağımlılığının doğası, bu göstergenin aşağıdakileri etkilemesi ile belirlenir:

a) katalize katılan amino asit kalıntılarının iyonizasyonu,

b) substratın iyonlaşması,

c) enzimin yapısı ve aktif bölgesi.

enzim inhibisyonu

Bir enzimatik reaksiyonun hızı, adı verilen bir dizi kimyasalın etkisiyle azaltılabilir. inhibitörler. Siyanürler gibi bazı inhibitörler insanlar için zehirlidir, diğerleri ise ilaç olarak kullanılır.

İnhibitörler iki ana tipe ayrılabilir: geri döndürülemez ve tersine çevrilebilir. Geri dönüşü olmayan inhibitörler (I), enzim aktivitesinin restorasyonu ile ayrışması imkansız olan bir kompleks oluşturmak için enzime bağlanır:

Tersinir olmayan bir inhibitörün bir örneği, diizopropilflorofosfattır (DFF). DPP, sinir uyarı iletiminde önemli bir rol oynayan asetilkolinesteraz enzimini inhibe eder. Bu inhibitör, enzimin aktif bölgesinin serini ile etkileşir ve böylece ikincisinin aktivitesini bloke eder. Sonuç olarak, nöronların sinir hücrelerinin süreçlerinin sinir impulsu yapma yeteneği bozulur. DFF, ilk sinir ajanlarından biridir. Buna dayanarak, insanlar ve hayvanlar için nispeten toksik olmayan bir dizi yaratılmıştır. böcek öldürücüler - böcekler için zehirli maddeler.

Tersinir inhibitörler, tersinmez inhibitörlerden farklı olarak, belirli koşullar altında enzimden kolaylıkla ayrılabilirler. İkincisinin etkinliği geri yüklenir:

Tersinir inhibitörler şunları içerir: rekabetçi ve rekabetçi olmayan inhibitörler.

Substratın yapısal bir analogu olan rekabetçi bir inhibitör, enzimin aktif bölgesi ile etkileşime girer ve böylece substratın enzime erişimini engeller. Bu durumda inhibitör kimyasal dönüşümlere uğramaz ve enzime geri dönüşümlü olarak bağlanır. EI kompleksinin ayrılmasından sonra, enzim ya substrata bağlanabilir ve onu ya da inhibitöre dönüştürebilir (Şekil 34.). Hem substrat hem de inhibitör, aktif bölgede bir yer için rekabet ettiğinden, bu inhibisyona rekabetçi denir.

Pirinç. 34. Rekabetçi bir inhibitörün etki mekanizması.

Rekabetçi inhibitörler tıpta kullanılmaktadır. Sülfanilamid müstahzarları daha önce bulaşıcı hastalıklarla savaşmak için yaygın olarak kullanılıyordu. Yapısal olarak yakınlar para-aminobenzoik asit(PABA), birçok patojenik bakteri için önemli bir büyüme faktörüdür. PABA, bir dizi enzim için bir kofaktör görevi gören bir folik asit öncüsüdür. Sülfanilamid preparatları, PABA'dan folik asit sentezi için enzimlerin rekabetçi bir inhibitörü olarak işlev görür ve böylece patojenik bakterilerin büyümesini ve çoğalmasını engeller.

Rekabetçi olmayan inhibitörler, substrata yapısal olarak benzer değildir ve EI oluşumu sırasında aktif bölge ile değil, enzimin başka bir bölgesi ile etkileşime girerler. Bir inhibitörün bir enzim ile etkileşimi, ikincisinin yapısında bir değişikliğe yol açar. EI kompleksinin oluşumu tersine çevrilebilir, bu nedenle, parçalanmasından sonra enzim tekrar substrata saldırabilir (Şekil 35).

Pirinç. 35. Rekabetçi olmayan bir inhibitörün etki mekanizması

CN - siyanür, rekabetçi olmayan bir inhibitör görevi görebilir. Protez gruplarının bir parçası olan metal iyonlarına bağlanır ve bu enzimlerin aktivitesini inhibe eder. Siyanür zehirlenmesi son derece tehlikelidir. Ölümcül olabilirler.

allosterik enzimler

"Allosterik" terimi, Yunanca allo - başka bir stereo - alandan gelir. Böylece, allosterik enzimler, aktif bölge ile birlikte, adı verilen başka bir merkeze sahiptir. allosterik merkez(Şek. 36). Enzimlerin aktivitesini değiştirebilen maddeler allosterik merkeze bağlanır, bu maddelere denir allosterik efektörler. Etkileyiciler pozitiftir - enzimi aktive eder ve negatif - inhibitördür, yani. enzim aktivitesini azaltır. Bazı allosterik enzimler iki veya daha fazla efektörden etkilenebilir.

Pirinç. 36. Bir allosterik enzimin yapısı.

Multienzim sistemlerinin düzenlenmesi

Bazı enzimler, her enzimin metabolik yolun belirli bir aşamasını katalize ettiği çok enzimli sistemlerde birleşerek uyum içinde hareket eder:

Bir multienzim sisteminde, tüm reaksiyon dizisinin hızını belirleyen bir enzim vardır. Bu enzim, kural olarak, allosteriktir ve matabolik yolun başlangıcında bulunur. Çeşitli sinyaller alarak, katalize edilen reaksiyonun hızını hem artırıp hem de azaltarak tüm sürecin hızını düzenleyebilir.

hız reaksiyonu reaktanlardan birinin molar konsantrasyonundaki değişiklik ile belirlenir:

V \u003d ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) \u003d ± (DC / Dt)

Burada Cı ve C2, sırasıyla t1 ve t2 zamanlarındaki maddelerin molar konsantrasyonlarıdır (işaret (+) - hız reaksiyon ürünü tarafından belirlenirse, (-) - işareti orijinal madde tarafından belirlenir).

Reaksiyonlar, reaktanların molekülleri çarpıştığında meydana gelir. Hızı, çarpışma sayısı ve bir dönüşüme yol açma olasılığı ile belirlenir. Çarpışma sayısı, reaksiyona giren maddelerin konsantrasyonları tarafından belirlenir ve bir reaksiyon olasılığı, çarpışan moleküllerin enerjisi tarafından belirlenir.
Kimyasal reaksiyonların hızını etkileyen faktörler.
1. Reaktanların doğası. Kimyasal bağların doğası ve reaktiflerin moleküllerinin yapısı önemli bir rol oynar. Reaksiyonlar, daha az güçlü bağların yok edilmesi ve daha güçlü bağlara sahip maddelerin oluşması yönünde ilerler. Bu nedenle, H2 ve N2 moleküllerindeki bağları kırmak için yüksek enerjiler gerekir; bu tür moleküller çok reaktif değildir. Yüksek polar moleküllerdeki (HCl, H 2 O) bağları kırmak için daha az enerji gerekir ve reaksiyon hızı çok daha yüksektir. Elektrolit çözeltilerdeki iyonlar arasındaki reaksiyonlar neredeyse anında gerçekleşir.
Örnekler
Flor, oda sıcaklığında hidrojen ile patlayıcı şekilde reaksiyona girer; brom, ısıtıldığında bile hidrojen ile yavaş reaksiyona girer.
Kalsiyum oksit su ile kuvvetli bir şekilde reaksiyona girerek ısı açığa çıkarır; bakır oksit - reaksiyona girmez.

2. Konsantrasyon. Konsantrasyondaki artışla (birim hacimdeki partikül sayısı), reaktan moleküllerinin çarpışmaları daha sık meydana gelir - reaksiyon hızı artar.
Aktif kütleler yasası (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
Bir kimyasal reaksiyonun hızı, reaktanların konsantrasyonlarının ürünü ile doğru orantılıdır.

AA + bb + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

Reaksiyon hızı sabiti k, reaktanların doğasına, sıcaklığa ve katalizöre bağlıdır, ancak reaktanların konsantrasyonlarına bağlı değildir.
Hız sabitinin fiziksel anlamı, reaktanların birim konsantrasyonlarındaki reaksiyon hızına eşit olmasıdır.
Heterojen reaksiyonlar için katı fazın konsantrasyonu, reaksiyon hızı ifadesine dahil edilmez.

3. Sıcaklık. Sıcaklıktaki her 10°C'lik artış için reaksiyon hızı 2-4 kat artar (Van't Hoff Kuralı). Sıcaklıkta t 1'den t 2'ye bir artışla, reaksiyon hızındaki değişiklik aşağıdaki formülle hesaplanabilir:

(burada Vt 2 ve Vt 1, sırasıyla t 2 ve t 1 sıcaklıklarındaki reaksiyon hızlarıdır; g, bu reaksiyonun sıcaklık katsayısıdır).
Van't Hoff kuralı yalnızca dar bir sıcaklık aralığında geçerlidir. Arrhenius denklemi daha doğru:

• e-Ea/RT

nerede
A, reaktanların doğasına bağlı olarak bir sabittir;
R, evrensel gaz sabitidir;

Ea aktivasyon enerjisidir, yani. çarpışmanın kimyasal dönüşümle sonuçlanması için çarpışan moleküllerin sahip olması gereken enerji.
Bir kimyasal reaksiyonun enerji diyagramı.

A - reaktifler, B - aktifleştirilmiş kompleks (geçiş durumu), C - ürünler.
Aktivasyon enerjisi Ea ne kadar yüksek olursa, artan sıcaklıkla reaksiyon hızı o kadar artar.

4. Reaktanların temas yüzeyi. Heterojen sistemler için (maddeler farklı kümelenme durumlarındayken), temas yüzeyi ne kadar büyükse, reaksiyon o kadar hızlı ilerler. Katıların yüzeyi, öğütülerek ve çözünür maddeler için çözülerek artırılabilir.

5. Kataliz. Reaksiyonlara katılan ve reaksiyonun sonunda değişmeden kalan hızını artıran maddelere katalizör denir. Katalizörlerin etki mekanizması, ara bileşiklerin oluşumu nedeniyle reaksiyonun aktivasyon enerjisinde bir azalma ile ilişkilidir. saat homojen kataliz reaktifler ve katalizör bir faz oluşturur (aynı kümelenme durumundadırlar), heterojen kataliz- farklı aşamalar (farklı kümelenme durumlarındadırlar). Bazı durumlarda, istenmeyen kimyasal süreçlerin seyri, reaksiyon ortamına inhibitörler eklenerek büyük ölçüde yavaşlatılabilir (olgu negatif kataliz").

USE kodlayıcının konuları:Hız reaksiyonu. Çeşitli faktörlere bağımlılığı.

Bir kimyasal reaksiyonun hızı, bir reaksiyonun ne kadar hızlı gerçekleştiğini gösterir. Etkileşim, parçacıklar uzayda çarpıştığında gerçekleşir. Bu durumda reaksiyon, her çarpışmada değil, sadece parçacıklar uygun enerjiye sahip olduğunda gerçekleşir.

hız reaksiyonu Birim zaman başına, etkileşim halindeki parçacıkların kimyasal dönüşümle sonuçlanan temel çarpışmalarının sayısıdır.

Kimyasal reaksiyon hızının belirlenmesi, uygulanması için koşullar ile ilişkilidir. eğer reaksiyon homojen- yani ürünler ve reaktanlar aynı fazdadır - o zaman kimyasal reaksiyonun hızı, birim zamanda maddedeki değişiklik olarak tanımlanır:

u = ∆C / ∆t.

Tepkimeye girenler veya ürünler farklı fazlardaysa ve parçacıkların çarpışması sadece arayüzeyde meydana geliyorsa, tepkime denir. heterojen, ve hızı, reaksiyon yüzeyinin birimi başına birim zaman başına madde miktarındaki değişiklik ile belirlenir:

u = Δν / (S Δt).

Parçacıkların daha sık çarpışması nasıl sağlanır, ör. nasıl kimyasal reaksiyonun hızını artırmak?

1. arttırmanın en kolay yolu hava sıcaklığı . Fizik dersinizden de bildiğiniz gibi, sıcaklık, madde parçacıklarının hareketinin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Sıcaklığı yükseltirsek, herhangi bir maddenin parçacıkları daha hızlı hareket etmeye başlar ve bu nedenle daha sık çarpışır.

Bununla birlikte, artan sıcaklıkla, esas olarak etkili çarpışmaların sayısının artması nedeniyle kimyasal reaksiyonların hızı artar. Sıcaklık arttıkça, reaksiyonun enerji bariyerini aşabilen aktif parçacıkların sayısı keskin bir şekilde artar. Sıcaklığı düşürürsek, parçacıklar daha yavaş hareket etmeye başlar, aktif parçacıkların sayısı azalır ve saniyedeki etkin çarpışma sayısı azalır. Böylece, Sıcaklık arttığında, kimyasal reaksiyonun hızı artar ve sıcaklık düştüğünde azalır..

Not! Bu kural, tüm kimyasal reaksiyonlar için (ekzotermik ve endotermik olanlar dahil) aynı şekilde çalışır. Reaksiyon hızı termal etkiye bağlı değildir. Ekzotermik reaksiyonların hızı artan sıcaklıkla artar ve azalan sıcaklıkla azalır. Endotermik reaksiyonların hızı da artan sıcaklıkla artar ve azalan sıcaklıkla azalır.

Dahası, 19. yüzyılda, Hollandalı fizikçi van't Hoff deneysel olarak, çoğu reaksiyonun, sıcaklıkta 10 ° C'lik bir artışla yaklaşık olarak aynı oranda (yaklaşık 2-4 kat) arttığını buldu. Van't Hoff'un kuralı kulağa hoş geliyor. bunun gibi: sıcaklıkta 10 ° C'lik bir artış, kimyasal reaksiyon hızında 2-4 kat artışa yol açar (bu değere kimyasal reaksiyon hızının sıcaklık katsayısı denir γ). Sıcaklık katsayısının tam değeri, her reaksiyon için belirlenir.

burada v, kimyasal reaksiyonun hızıdır,

CA ve CB - sırasıyla A ve B maddelerinin konsantrasyonları, mol/l

k orantı katsayısı, reaksiyonun hız sabitidir.

Örneğin, amonyak oluşum reaksiyonu için:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Kitle eylemi yasası şöyle görünür:

- Bunlar, bir kimyasal reaksiyonda yer alan, hızını ve yönünü değiştiren kimyasallardır, ancak harcanamaz reaksiyon sırasında (reaksiyonun sonunda, miktar veya bileşimde değişmezler). A + B tipi bir reaksiyon için bir katalizörün çalışması için yaklaşık bir mekanizma aşağıdaki gibi gösterilebilir:

A+K=AK

AK + B = AB + K

Bir katalizörle etkileşime girdiğinde reaksiyon hızını değiştirme işlemine denir. kataliz. Katalizörler, bir reaksiyonun hızını artırmak veya belirli bir yol boyunca yönlendirmek gerektiğinde endüstride yaygın olarak kullanılır.

Katalizörün faz durumuna göre homojen ve heterojen kataliz ayırt edilir.

homojen kataliz - bu, reaktanlar ve katalizörün aynı fazda (gaz, çözelti) olduğu zamandır. Tipik homojen katalizörler asitler ve bazlardır. organik aminler, vb.

heterojen kataliz - bu, reaktanların ve katalizörün farklı fazlarda olduğu zamandır. Kural olarak, heterojen katalizörler katıdır. Çünkü bu tür katalizörlerdeki etkileşim sadece maddenin yüzeyinde meydana gelir, katalizörler için önemli bir gereklilik geniş bir yüzey alanıdır. Heterojen katalizörler, katalizörün yüzey alanını artıran yüksek gözeneklilik ile karakterize edilir. Böylece, bazı katalizörlerin toplam yüzey alanı bazen 1 g katalizör başına 500 metrekareye ulaşır. Geniş alan ve gözeneklilik, reaktiflerle verimli etkileşim sağlar. Heterojen katalizörler arasında metaller, zeolitler - alüminosilikat grubunun (silikon ve alüminyum bileşikleri) kristalli mineraller ve diğerleri bulunur.

Örnek heterojen kataliz - amonyak sentezi:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Al 2 O 3 ve K 2 O safsızlıkları olan gözenekli demir katalizör olarak kullanılır.

Katalizörün kendisi kimyasal reaksiyon sırasında tüketilmez, ancak katalizörün yüzeyinde, katalizörün aktif merkezlerini bağlayan ve çalışmasını engelleyen diğer maddeler birikir ( katalitik zehirler). Katalizörü yenileyerek düzenli olarak çıkarılmaları gerekir.

Katalizörler biyokimyasal reaksiyonlarda çok etkilidir. enzimler. Enzimatik katalizörler, %100 seçicilik ile oldukça verimli ve seçici davranır. Ne yazık ki, enzimler sıcaklık artışına, orta asitliğe ve diğer faktörlere karşı çok hassastır; bu nedenle, enzimatik katalizli işlemlerin endüstriyel ölçekte uygulanması için bir takım sınırlamalar vardır.

Katalizörler ile karıştırılmamalıdır. başlatıcılar süreç ve inhibitörler. Örneğin, metan klorlamanın radikal reaksiyonunu başlatmak için ultraviyole ışınlama gereklidir. Bu bir katalizör değil. Bazı radikal reaksiyonlar peroksit radikalleri tarafından başlatılır. Ayrıca katalizör değillerdir.

inhibitörleri kimyasal reaksiyonu yavaşlatan maddelerdir. İnhibitörler tüketilebilir ve bir kimyasal reaksiyona katılabilir. Bu durumda, inhibitörler katalizör değildir, bunun tersi de geçerlidir. Ters kataliz prensipte imkansızdır - reaksiyon her durumda en hızlı yolu izlemeye çalışacaktır.

5. Reaktanların temas alanı. Heterojen reaksiyonlar için etkin çarpışma sayısını artırmanın bir yolu, reaksiyon yüzey alanı . Reaksiyona giren fazların temas yüzey alanı ne kadar büyük olursa, heterojen kimyasal reaksiyonun hızı o kadar büyük olur. Toz halindeki çinko, asitte aynı ağırlıktaki granül çinkodan çok daha hızlı çözünür.

Endüstride, reaktanların temas yüzeyinin alanını arttırmak için kullanırlar. akışkan yatak yöntemi. Örneğin, kaynar tabaka yöntemi ile sülfürik asit üretiminde pirit kavrulur.

6. Reaktanların doğası . Kimyasal reaksiyonların hızı, diğer şeyler eşit olmak üzere, kimyasal özelliklerden de etkilenir, yani. reaktanların doğası. Daha az aktif maddeler, daha yüksek bir aktivasyon bariyerine sahip olacak ve daha aktif maddelerden daha yavaş reaksiyona girecek. Daha aktif maddeler daha düşük bir aktivasyon enerjisine sahiptir ve kimyasal reaksiyonlara girmeleri çok daha kolay ve daha olasıdır.

Düşük aktivasyon enerjilerinde (40 kJ/mol'den az), reaksiyon çok hızlı ve kolay bir şekilde ilerler. Parçacıklar arasındaki çarpışmaların önemli bir kısmı kimyasal bir dönüşümle sonuçlanır. Örneğin, normal koşullar altında iyon değişim reaksiyonları çok hızlı gerçekleşir.

Yüksek aktivasyon enerjilerinde (120 kJ/mol'den fazla), sadece az sayıda çarpışma kimyasal dönüşümle sonuçlanır. Bu tür reaksiyonların hızı ihmal edilebilir. Örneğin, nitrojen, normal koşullar altında pratik olarak oksijen ile etkileşime girmez.

Orta aktivasyon enerjilerinde (40 ila 120 kJ/mol), reaksiyon hızı ortalama olacaktır. Bu tür reaksiyonlar normal koşullar altında da ilerler, ancak çok hızlı değildir, böylece çıplak gözle gözlemlenebilirler. Bu reaksiyonlar, sodyumun su ile etkileşimini, demirin hidroklorik asit ile etkileşimini vb.

Normal koşullar altında kararlı olan maddeler yüksek aktivasyon enerjilerine sahip olma eğilimindedir.

Bazı kimyasal reaksiyonlar neredeyse anında (bir oksijen-hidrojen karışımının patlaması, sulu bir çözeltide iyon değişim reaksiyonları), ikincisi - hızlı bir şekilde (maddelerin yanması, çinkonun asitle etkileşimi) ve diğerleri - yavaş yavaş (demirin paslanması, organik kalıntıların çürümesi). O kadar yavaş tepkiler biliniyor ki, bir kişi onları fark edemez. Örneğin, granitin kum ve kile dönüşmesi binlerce yılda gerçekleşir.

Başka bir deyişle, kimyasal reaksiyonlar farklı şekillerde ilerleyebilir. hız.

Ama ne hız reaksiyonu? Bu miktarın tam tanımı ve en önemlisi matematiksel ifadesi nedir?

Bir tepkimenin hızı, bir maddenin bir birim zamanda bir birim hacimdeki miktarındaki değişikliktir. Matematiksel olarak, bu ifade şu şekilde yazılır:

Neresi n 1 ve n 2- hacimli bir sistemde sırasıyla t 1 ve t 2 zamanında madde (mol) miktarı V.

Hız ifadesinin önünde hangi artı veya eksi işaretinin (±) duracağı, hangi maddenin miktarındaki bir değişikliğe - bir ürün mü yoksa bir reaktan mı - bakmamıza bağlıdır.

Açıkçası, reaksiyon sırasında reaktiflerin tüketimi meydana gelir, yani sayıları azalır, bu nedenle reaktifler için (n 2 - n 1) ifadesi her zaman sıfırdan küçük bir değere sahiptir. Hız negatif bir değer olamayacağı için bu durumda ifadenin önüne eksi işareti konulmalıdır.

Reaktife değil de ürün miktarındaki değişime bakıyorsak, bu durumda (n 2 - n 1) ifadesi her zaman pozitif olduğundan, oranı hesaplamak için ifadeden önce eksi işareti gerekli değildir. , Çünkü reaksiyon sonucu ürün miktarı sadece artabilir.

Madde miktarının oranı n molar konsantrasyon olarak adlandırılan bu madde miktarının bulunduğu hacme İLE:

Böylece, molar konsantrasyon kavramını ve matematiksel ifadesini kullanarak, reaksiyon hızını belirlemenin başka bir yolunu yazabiliriz:

Reaksiyon hızı, bir kimyasal reaksiyonun bir sonucu olarak bir maddenin molar konsantrasyonundaki bir birim zamandaki değişikliktir:

Reaksiyon hızını etkileyen faktörler

Belirli bir reaksiyonun hızını neyin belirlediğini ve onu nasıl etkileyeceğini bilmek genellikle son derece önemlidir. Örneğin, petrol arıtma endüstrisi, kelimenin tam anlamıyla, birim zaman başına ürünün her ek yüzde yarımı için savaşır. Ne de olsa, işlenen büyük miktarda petrol göz önüne alındığında, yüzde yarım bile büyük bir yıllık finansal kâra dönüşüyor. Bazı durumlarda, herhangi bir reaksiyonu, özellikle metallerin korozyonunu yavaşlatmak son derece önemlidir.

Peki bir reaksiyonun hızı neye bağlıdır? Garip bir şekilde, birçok farklı parametreye bağlıdır.

Bu konuyu anlamak için öncelikle bir kimyasal reaksiyon sonucunda neler olduğunu hayal edelim, örneğin:

Yukarıda yazılan denklem, A ve B maddelerinin moleküllerinin birbiriyle çarpışarak C ve D maddelerinin moleküllerini oluşturma sürecini yansıtmaktadır.

Yani, kuşkusuz, reaksiyonun gerçekleşmesi için, başlangıç ​​maddelerinin moleküllerinin en azından çarpışması gereklidir. Açıkçası, birim hacim başına molekül sayısını arttırırsak, çarpışma sayısı, yarı boş bir otobüse kıyasla kalabalık bir otobüste yolcularla çarpışma sıklığınız arttıkça aynı şekilde artacaktır.

Başka bir deyişle, reaksiyon hızı, reaktanların artan konsantrasyonu ile artar.

Bir veya birkaç reaktantın gaz olması durumunda, bir gazın basıncı her zaman onu oluşturan moleküllerin konsantrasyonu ile doğru orantılı olduğundan, artan basınçla reaksiyon hızı artar.

Bununla birlikte, parçacıkların çarpışması, reaksiyonun devam etmesi için gerekli ancak yeterli olmayan bir koşuldur. Gerçek şu ki, hesaplamalara göre, reaksiyona giren maddelerin moleküllerinin makul konsantrasyonlarında çarpışmalarının sayısı o kadar büyüktür ki, tüm reaksiyonların bir anda gerçekleşmesi gerekir. Ancak bu pratikte gerçekleşmez. Sorun ne?

Gerçek şu ki, reaktan moleküllerinin her çarpışması mutlaka etkili olmayacaktır. Çoğu çarpışma esnektir - moleküller toplar gibi birbirlerinden sıçrarlar. Reaksiyonun gerçekleşebilmesi için moleküllerin yeterli kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Reaksiyonun gerçekleşmesi için reaktanların moleküllerinin sahip olması gereken minimum enerjiye aktivasyon enerjisi denir ve Ea ile gösterilir. Çok sayıda molekülden oluşan bir sistemde, moleküllerin bir enerji dağılımı vardır, bazıları düşük enerjili, bazıları yüksek ve orta enerjilidir. Tüm bu moleküllerin sadece küçük bir kısmı aktivasyon enerjisinden daha büyük bir enerjiye sahiptir.

Fizik dersinden bilindiği gibi sıcaklık aslında maddeyi oluşturan parçacıkların kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Yani maddeyi oluşturan parçacıklar ne kadar hızlı hareket ederse, sıcaklığı o kadar yüksek olur. Bu nedenle, açıkçası, sıcaklığı yükselterek, moleküllerin kinetik enerjisini arttırıyoruz, bunun sonucunda enerjileri E a'yı aşan moleküllerin oranı artar ve çarpışmaları kimyasal bir reaksiyona yol açacaktır.

Sıcaklığın reaksiyon hızı üzerindeki olumlu etkisi gerçeği, 19. yüzyılın başlarında Hollandalı kimyager Van't Hoff tarafından ampirik olarak belirlendi. Araştırmasına dayanarak, hala adını taşıyan bir kural formüle etti ve kulağa şöyle geliyor:

Herhangi bir kimyasal reaksiyonun hızı, sıcaklıkta 10 derecelik bir artışla 2-4 kat artar.

Bu kuralın matematiksel gösterimi şu şekilde yazılır:

nerede V2 ve 1 sırasıyla t 2 ve t 1 sıcaklığındaki hızdır ve γ, değeri en sık 2 ila 4 aralığında olan reaksiyonun sıcaklık katsayısıdır.

Çoğu zaman, birçok reaksiyonun hızı kullanılarak artırılabilir. katalizörler.

Katalizörler, tüketilmeden bir reaksiyonu hızlandıran maddelerdir.

Fakat katalizörler bir reaksiyonun hızını artırmayı nasıl başarır?

Aktivasyon enerjisini E a hatırlayın. Aktivasyon enerjisinden daha az enerjiye sahip moleküller, katalizör yokluğunda birbirleriyle etkileşemezler. Katalizörler, deneyimli bir rehberin keşif rotasını doğrudan dağdan değil, bypass yollarının yardımıyla nasıl açacağına benzer şekilde, reaksiyonun ilerlediği yolu değiştirir, bunun sonucunda yeterli olmayan uydular bile. dağa tırmanmak için enerji onun başka bir tarafına geçebilecek.

Katalizör reaksiyon sırasında tüketilmemesine rağmen, yine de reaktiflerle ara bileşikler oluşturarak aktif bir rol alır, ancak reaksiyonun sonunda orijinal durumuna döner.

Reaksiyon hızını etkileyen yukarıdaki faktörlere ek olarak, reaksiyona giren maddeler arasında bir arayüz (heterojen reaksiyon) varsa, reaksiyon hızı da reaktanların temas alanına bağlı olacaktır. Örneğin, sulu bir hidroklorik asit çözeltisi içeren bir test tüpüne bırakılan bir metalik alüminyum granülü hayal edin. Alüminyum, oksitleyici olmayan asitlerle reaksiyona girebilen aktif bir metaldir. Hidroklorik asit ile reaksiyon denklemi aşağıdaki gibidir:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Alüminyum katıdır, yani yüzeyinde sadece hidroklorik asit ile reaksiyona girer. Açıkçası, alüminyum granülü ilk önce folyoya yuvarlayarak yüzey alanını arttırırsak, asit ile reaksiyon için daha fazla sayıda alüminyum atomu sağlarız. Sonuç olarak, reaksiyon hızı artacaktır. Benzer şekilde, bir katının yüzeyinde bir artış, bir toz halinde öğütülerek elde edilebilir.

Ayrıca, bir katının bir gaz veya sıvı ile reaksiyona girdiği heterojen bir reaksiyonun hızı, karıştırmanın bir sonucu olarak, reaksiyon ürünlerinin biriken moleküllerinin ortamdan uzaklaştırılması gerçeğinden dolayı, karıştırmadan genellikle olumlu bir şekilde etkilenir. reaksiyon bölgesi ve reaktif moleküllerinin yeni bir kısmı “ortaya çıkarılır”.

Unutulmaması gereken son şey, reaksiyon hızı ve reaktiflerin doğası üzerindeki büyük etkidir. Örneğin, periyodik tabloda alkali metal ne kadar düşükse, su ile o kadar hızlı reaksiyona girer, flor, tüm halojenler arasında hidrojen gazı ile en hızlı reaksiyona girer, vb.

Özetle, reaksiyon hızı aşağıdaki faktörlere bağlıdır:

1) reaktiflerin konsantrasyonu: ne kadar yüksek olursa, reaksiyon hızı o kadar yüksek olur.

2) sıcaklık: artan sıcaklıkla, herhangi bir reaksiyonun hızı artar.

3) reaktanların temas alanı: reaktanların temas alanı ne kadar büyükse, reaksiyon hızı o kadar yüksek olur.

4) karıştırma, reaksiyon bir katı ile sıvı veya gaz arasında meydana gelirse, karıştırma onu hızlandırabilir.

Bölümler: Kimya

dersin amacı

• eğitici:"kimyasal reaksiyon hızı" kavramının oluşumuna devam etmek, homojen ve heterojen reaksiyonların hızını hesaplamak için formüller türetmek, kimyasal reaksiyonların hızının hangi faktörlere bağlı olduğunu düşünmek;
• gelişmekte: deneysel verileri işlemeyi ve analiz etmeyi öğrenir; kimyasal reaksiyonların hızı ile dış etkenler arasındaki ilişkiyi bulabilme;
• eğitici: ikili ve toplu çalışma sırasında iletişim becerilerinin geliştirilmesine devam etmek; öğrencilerin dikkatini günlük yaşamda meydana gelen kimyasal reaksiyonların hızı (metal korozyonu, süt ekşimesi, çürüme vb.)

Öğretim yardımcıları: D. multimedya projektörü, bilgisayar, dersin ana konularında slaytlar, CD-ROM "Cyril ve Methodius", tablolardaki tablolar, laboratuvar çalışması protokolleri, laboratuvar ekipmanı ve reaktifler;

Öğretme teknikleri:üreme, araştırma, kısmen arama;

Sınıfların organizasyon şekli: konuşma, pratik çalışma, bağımsız çalışma, test etme;

Öğrencilerin çalışmalarının organizasyon şekli:önden, bireysel, grup, kolektif.

1. Sınıf organizasyonu

İş için sınıf hazırlığı.

2. Eğitim materyalinde ustalaşmanın ana aşamasına hazırlık. Temel bilgi ve becerilerin etkinleştirilmesi(Slayt 1, dersin sunumuna bakın).

Dersin konusu “Kimyasal reaksiyonların hızı. Bir kimyasal reaksiyonun hızını etkileyen faktörler.

Görev: Bir kimyasal reaksiyonun hızının ne olduğunu ve hangi faktörlere bağlı olduğunu bulmak. Ders sırasında, yukarıdaki konuyla ilgili soru teorisi ile tanışacağız. Pratikte, bazı teorik varsayımlarımızı doğrulayacağız.

Öngörülen öğrenci etkinliği

Öğrencilerin aktif çalışması, dersin konusunu algılamaya hazır olduklarını gösterir. Öğrenciler 9. sınıf dersinden (konu içi iletişim) bir kimyasal reaksiyonun hızı hakkında bilgiye ihtiyaç duyarlar.

Aşağıdaki soruları tartışalım (önden, slayt 2):

1. Kimyasal reaksiyonların hızı hakkında neden bilgiye ihtiyacımız var?
2. Hangi örnekler kimyasal reaksiyonların farklı hızlarda ilerlediğini doğrulayabilir?
3. Mekanik hareketin hızı nasıl belirlenir? Bu hızın birimi nedir?
4. Bir kimyasal reaksiyonun hızı nasıl belirlenir?
5. Bir kimyasal reaksiyonun başlaması için hangi koşullar yaratılmalıdır?

İki örnek düşünün (deney öğretmen tarafından yürütülür).

Masada iki test tüpü var, birinde bir alkali (KOH) çözeltisi, diğerinde bir çivi; Her iki tüpe de CuSO4 solüsyonu ekleyin. Ne görüyoruz?

Öngörülen öğrenci etkinliği

Örnekler kullanarak öğrenciler tepkilerin hızını değerlendirir ve uygun sonuçlar çıkarır. Yapılan tepkilerin tahtaya kaydedilmesi (iki öğrenci).

İlk test tüpünde, reaksiyon anında gerçekleşti, ikincisinde - henüz görünür bir değişiklik yok.

Reaksiyon denklemlerini oluşturun (iki öğrenci tahtaya denklem yazar):

1. CuSO 4 + 2KOH \u003d Cu (OH) 2 + K2S04; Cu 2+ + 2OH - \u003d Cu (OH) 2
2. Fe + CuSO 4 \u003d FeSO 4 + Cu; Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

Gerçekleştirilen reaksiyonlardan hangi sonucu çıkarabiliriz? Neden bir tepki anında, diğeri yavaş? Bunu yapmak için, reaksiyon boşluğunun tüm hacmi boyunca (gazlarda veya çözeltilerde) meydana gelen kimyasal reaksiyonların olduğunu ve sadece maddelerin temas yüzeyinde meydana gelenlerin (bir katının yanması) olduğunu hatırlamak gerekir. bir gaz, bir metalin bir asitle etkileşimi, daha az aktif bir metalin tuzu).

Öngörülen öğrenci etkinliği

Gösterilen deneyin sonuçlarına dayanarak, öğrenciler şu sonuca varıyor: reaksiyon 1 homojendir ve reaksiyon

2 - heterojen.

Bu reaksiyonların hızları farklı şekillerde matematiksel olarak belirlenecektir.

Kimyasal tepkimelerin hız ve mekanizmalarını inceleyen bilim dalına denir. kimyasal kinetik.

3. Yeni bilgi ve eylem biçimlerinin özümsenmesi(Slayt 3)

Reaksiyon hızı, birim zamanda bir maddenin miktarındaki değişiklik ile belirlenir.

birim V'de

(homojen için)

S maddelerinin birim temas yüzeyi başına (heterojen için)

Açıkçası, bu tanımla, reaksiyon hızının değeri homojen bir sistemdeki hacme ve reaktiflerin temas alanına - heterojen bir sisteme bağlı değildir.

Öngörülen öğrenci etkinliği

Öğrencilerin çalışma amacı ile aktif eylemleri. Bir defterde tabloya girme.

Bundan iki önemli nokta çıkar (slayt 4):

2) hızın hesaplanan değeri, hangi madde tarafından belirlendiğine bağlı olacaktır ve ikincisinin seçimi, miktarını ölçmenin uygunluğuna ve kolaylığına bağlıdır.

Örneğin, 2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O reaksiyonu için: υ (H 2 için) \u003d 2 υ (O 2 için) \u003d υ (H 2 O için)

4. Bir kimyasal reaksiyonun hızıyla ilgili birincil bilgilerin pekiştirilmesi

Ele alınan malzemeyi birleştirmek için hesaplama problemini çözeceğiz.

Öngörülen öğrenci etkinliği

Reaksiyon hızı hakkında edinilen bilgilerin birincil olarak kavranması. Sorunun çözümünün doğruluğu.

Görev (slayt 5). Kimyasal reaksiyon çözeltide aşağıdaki denkleme göre ilerler: A + B = C. Başlangıç ​​konsantrasyonları: A - 0.80 mol / l maddeleri, B - 1.00 mol / l maddeleri. 20 dakika sonra, A maddesinin konsantrasyonu 0.74 mol/l'ye düştü. Şunları belirleyin: a) bu süre için ortalama reaksiyon hızı;

b) 20 dakika sonra C maddesinin konsantrasyonu. Çözüm (Ek 4, slayt 6).

5. Yeni bilgi ve eylem biçimlerinin özümsenmesi(yeni materyalin tekrarlanması ve incelenmesi sırasında laboratuvar çalışması yapılması, adım adım, Ek 2).

Farklı faktörlerin bir kimyasal reaksiyonun hızını etkilediğini biliyoruz. Hangi?

Öngörülen öğrenci etkinliği

8-9. sınıfların bilgisine güvenme, materyali incelerken bir deftere yazma. Liste (slayt 7):

Reaktanların doğası;

Hava sıcaklığı;

Reaktanların konsantrasyonu;

Katalizörlerin etkisi;

Reaktanların temas yüzeyi (heterojen reaksiyonlarda).

Tüm bu faktörlerin reaksiyon hızı üzerindeki etkisi basit bir teori kullanılarak açıklanabilir - çarpışma teorisi (slayt 8). Ana fikri şudur: Belirli bir enerjiye sahip reaktan parçacıkları çarpıştığında reaksiyonlar meydana gelir.

Bundan aşağıdaki sonuçları çıkarabiliriz:

1. Reaktif partikülleri ne kadar fazlaysa, birbirlerine o kadar yakınlar, çarpışma ve reaksiyon gösterme olasılıkları o kadar yüksek olur.
2. Sadece reaksiyona yol açar etkili çarpışmalar,şunlar. "eski bağların" yok edildiği veya zayıfladığı ve dolayısıyla "yeni" bağların oluşabileceği bağlar. Ancak bunun için parçacıkların yeterli enerjiye sahip olması gerekir.

Reaktant parçacıkların etkin çarpışması için gerekli minimum enerji fazlalığına (sistemdeki parçacıkların etkin çarpışması için gerekli) (sistemdeki parçacıkların ortalama enerjisinin üzerinde) denir.aktivasyon enerjisi E a.

Öngörülen öğrenci etkinliği

Kavramı anlama ve tanımı bir deftere yazma.

Böylece tüm parçacıkların reaksiyona girme yolunda, aktivasyon enerjisine eşit bir enerji bariyeri vardır. Küçükse, başarılı bir şekilde üstesinden gelen birçok parçacık vardır. Büyük bir enerji bariyeri ile üstesinden gelmek için ek enerji gerekir, bazen iyi bir "itme" yeterlidir. Ruh lambasını yakıyorum - ek enerji veriyorum E a, alkol moleküllerinin oksijen molekülleri ile etkileşiminin reaksiyonunda enerji bariyerini aşmak için gereklidir.

Düşünmek faktörler, reaksiyonun hızını etkiler.

1) Reaktanların doğası(slayt 9) Reaksiyona giren maddelerin doğası, bileşimleri, yapıları, atomların inorganik ve organik maddelerdeki karşılıklı etkisi olarak anlaşılır.

Maddelerin aktivasyon enerjisinin büyüklüğü, reaksiyona giren maddelerin doğasının reaksiyon hızı üzerindeki etkisinin etkilendiği bir faktördür.

Bilgilendirme.

Sonuçların kendi kendine formüle edilmesi (evde Ek 3)