Модуль 2. 2 страница. Оскільки у формальне кінетичне рівняння для гетерогенних реакцій не входять концентрації речовин, що складають конденсовані фази

Оскільки у формальне кінетичне рівняння для гетерогенних реакцій не входять концентрації речовин, що складають конденсовані фази, і у лівій частині рівняння реакції тільки тверда речовина, кіне­тичне рівняння матиме вигляд: v = k. Тобто, з формальної точки зору, швидкість цієї реакції, за умови постійної температури, буде сталою величиною.

4) Правильна відповідь г).

Кінетичне рівняння для реакції матиме вигляд:

v = k × [NO]² × [O₂]

Внаслідок зменшення об’єму концентрація або парціальний тиск кожного з газів збільшується відповідно втричі. Отже, тепер швидкість буде дорівнювати:

Тобто, швидкість реакції зросте у 27 разів.

5) Правильна відповідь б).

Загальний порядок реакції - це сума показників степенів концен­трацій речовин у кінетичному рівнянні. У нашому випадку це 2 + 1 = 3

6) Правильна відповідь в).

Зміна швидкості реакції за правилом Вант-Гоффа залежить від зміни температури згідно з рівнянням:

де: t₁ i t₂ - початкова і кінцева температури;

v _t1 i v _t2 - швидкість початкова і після зміни температури;

g - температурний коефіцієнт швидкості реакції.

Підставивши у рівняння відповідні дані, будемо мати:

або

Тобто, швидкість реакції зросте у 243 рази.

8. ВКАЗІВКИ ДО РОБОТИ СТУДЕНТІВ НА ЗАНЯТТІ.

8.1. Визначення впливу ступеня подрібнення речовин на швидкість гетерогенної реакції.

У суху пробірку насипати довільну порцію сухих кристалів солей Pb(NO₃)₂ і KI. Після повільного перемішування спостерігати, чи відбувається зміна забарвлення. Після цього суміш ретельно пе­ретерти товкачиком у сухій фарфоровій ступці. Відзначити, як змі­нилося забарвлення. Потім до перетертої суміші додати декілька крапель дистильованої води і відзначити колір розчину, що утворився. Написати рівняння реакції та вказати речовину, що надає системі ха­рактерного забарвлення. Зробити висновок про вплив ступеня подрібнення речовин на швидкість реакції; порівняти швидкість гомогенної і гетерогенної реакцій.

8.2. Визначення залежності швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин.

Дослід базується на реакції утворення нерозчинної у воді сірки за рівнянням:

Використовуються розчини з молярною концентрацією еквівалента 1 моль/дм³.

У три колбочки (перша серія) налити розчини тіосульфату натрію і дистильованої води у співвідношеннях, що наведені у таблиці. У три інші пробірки (друга серія) відібрати по 10 мл розчину сірчаної кислоти. По черзі доливати розчин із пробірки (друга серія) до розчину у колбочці (перша серія), визначаючи час (τ) від моменту поєднання розчинів до моменту утворення ледве помітної каламутності. Одержані значення занести у таблицю. Розрахувати умовну швидкість реакції за формулою:

Об’єм розчинів, мл	Час ,c	Умовна швидкість реакції v, C^-1
Перша серія	Друга серія
	-

Зробити висновок про вплив концентрації реагуючих речовин на швидкість гомогенної реакції.

8.3. Визначення впливу температури на швидкість реакції.

Дослід також базується на реакції утворення нерозчинної у воді сірки за рівнянням:

Na₂S₂О₃ + Н₂SО₄ = Nа₂SО₄ + S↓ + Н₂SО₃

Використовуються розчини з молярною концентрацією еквівалента 0,5 моль/дм³.

У три сухі пробірки налити по 5 мл розчину сірчаної кислоти (перша серія розчинів). У три інші пробірки - по 5 мл розчину тіосульфату натрію (друга серія). Визначити температуру розчинів термометром (вона однакова для обох розчинів). Злити разом розчин першої серії і розчин другої серії та визначити час до утворення ледь помітної каламутності. Решту підготовлених пробірок обох се­рій нагріти на водяній бані спочатку до температури, що на 10°С перевищує початкову. Знову злити два розчини обох серій і визначи­ти час до утворення каламутності. Останні дві пробірки нагріти до температури, ще на 10° вищої. Зливши їх вміст, втретє визначити час до утворення каламутності.

Всі результати занести у таблицю і підрахувати умовну швидкість реакції для кожної температури.

Температура t, ^0C	Час , c	Умовна швидкість реакції v, c^-1

Зробити висновок про те, як залежить умовна швидкість реакції від температури.

8.4. Оформлення протоколу лабораторної роботи.

Записати у зошит необхідні рівняння реакцій, заповнити таблиці, записати висновки до кожного з дослідів.

9. ЛІТЕРАТУРА.

1. Мороз А.С., Луцевич Д.Д., Яворська Л.П. Медична хімія. –В: НОВА КНИГА, 2006, с.420-454.

2. Медицинская химия: учеб. / В.А. Калибабчук, Л.И. Грищенко, В.И. Галинская и др.; под ред. В.А. Калибабчук. – К.: Медицина, 2008.

3. Садовшчая Л.П., Хухрянский В.Г., Цыганенко А.Я. Биофизическая химия. К., Вища школа, I986, с. 140-149, 161-164.

4. Ленский А.С. Введение в бионеорганическую и биофизическую химию. М., Высшая школа, 1979, с. 55-67, 70-73.

5. Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия. М., Высшая школа, 1975, с.101-118.

ЗАНЯТТЯ № 3.

1. ТЕМА. Кінетика біохімічних реакцій.

2. ОБГРУНТУВАННЯ ТЕМИ. У живій природі, промисловості, повсяк­денному житті велику роль відіграють каталітичні процеси. Каталі­затори дозволяють значно прискорити швидкість реакції, одержати такий вихід продукту, який робить ефективним промислове добування. Необхідними для життя є біологічні каталізатори - ферменти, актив­ність яких набагато більша, ніж активність неорганічних каталіза­торів. Практично всі біохімічні реакції, як у найпростіших одно­клітинних організмах, так і в організмі людини, мають ферментатив­ний характер. Обмін речовин на клітинному рівні обумовлений ката­літичною активністю ферментів. Визначення ферментативної актив­ності все ширше застосовується у діагностиці захворювань внутріш­ніх органів. Наприклад, визначення активності фермента аспартат-амінотрансферази (АсАТ) у сироватці крові дозволяє з точністю до 96% діагнозувати інфаркт міокарда. Ферменти, їх активатори та інгібітори застосовують з лікувальною метою (ферментотерапія) та для вивчення патогенезу ряду захворювань.

Отже, уявлення про каталізатори і особливо ферменти, їх значення для живого організму необхідні студенту-медику для засвоєння біо­хімії, фармакології, нормальної та патологічної фізіології, спе­ціальних дисциплін.

3. МЕТА. Сформувати уявлення про механізм дії каталізаторів і ферментів, про особливості ферментативного каталізу та його роль у біохімічних процесах.

Студент повинен знати:

- визначення понять "каталіз" і "каталізатор";

- суть каталітичної дії;

- механізм гомогенного каталізу;

- особливості гетерогенного каталізу;

- особливості будови і механізму дії ферментів;

- роль ферментів у життєдіяльності організму, а також у діагностиці і лікуванні.

вміти:

- складати рівняння каталітичних реакцій;

- пояснювати за допомогою енергетичних діаграм суть каталітичної дії;

оволодіти навичками:

- визначення впливу каталізаторів на швидкість реакції.

4. ОСНОВНІ БАЗОВІ ЗНАННЯ, ВМІННЯ І НАВИЧКИ, НЕОБХІДНІ ДЛЯ ЗАСВОЄННЯ ТЕМИ.

1) Каталіз і каталізатори.

2) Поняття про гомогенний і гетерогенний каталіз. (Матеріал шкільної програми з хімії).

3) Швидкість реакції, енергія активації, прості і складні реакції.

4) Складання рівнянь окисно-відновних реакцій, (Матеріал попередніх занять з хімії).

5. ГРАФ ЛОГІЧНОЇ СТРУКТУРИ.

Каталіз

Види каталізу Суть каталітичної дії

Гомогенний Гетерогенний Ферментативний каталіз каталіз каталіз

Теорія проміжних Будова Особливості Роль ферментів сполук ферментів дії ферментів у життєдіяльності

Вплив температури і рН Застосування ферментів у на активність ферментів діагностиці, лікуванні

6. ОРІЄНТОВНА КАРТКА ДЛЯ САМОПІДГОТОВКИ ДО ЗАНЯТТЯ

(самостійна позааудиторна робота студентів).

Зміст і послідовність дій	Вказівки до навчальних дій
1. Суть і види каталізу.	1.1. Види каталізу: гомогенний, гетерогенний, ферментативний (мікрогетерогенний). 1.2. Суть каталітичної дії. Зниження енергії активації у ката­літичному процесі. 1.3. Теорія проміжних сполук у каталізі. 1.4. Особливості гетерогенного каталізу. 1.5. Автокаталіз.
2. Ферменти як біологічні каталізатори.	2.1. Поняття про будову ферментів. 2.2. Особливості дії ферментів як каталізаторів. 2.3. Вплив температури та рН на активність ферментів. 2.4. Поняття про механізм дії ферментів. 2.5. Роль ферментів у життєдіяль­ності організму та їх застосування у діагностиці і лікуванні.

7. ПИТАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ОПРАЦЮВАННЯ

(самостійна позааудиторна робота студентів).

1) Пояснити, чому при введенні каталізатора у систему змінюється швидкість реакції.

а) утворюються продукти реакції;

б) підвищується температура системи;

в) знижується енергія активації реакції;

г) змінюються концентрації реагуючих речовин.

2) Вибрати з наведених рівнянь реакцій рівняння гетерогенного каталізу.

_CuO(т)

а) CO_(г) + 2Н_2(р) СН₃ОН_(г)

_NO(г)

б) SO_2(г) + 1/2 O₂ SO_3(г)

_Na(т)

в) 2С₂Н₅ОН_(р) С₄Н₉ОН_(р) + Н₂О_(р)

^Н₂^О(р)

г) 3І_2(т) + 2Al_(т) 2AlI_3(т)

І_2(г)

д) СН₃СОН CH_4(г) + СО_(г)

3) Вказати, у чому суть вибірковості (специфічності) дії ферментів.

а) у здатності прискорювати тільки певну конкретну реакцію;

б) у здатності прискорювати реакції даного типу (окиснення, гідроліз, приєднання);

в) у здатності прискорювати будь-яку реакцію даного субстрату;

г) у здатності прискорювати всі реакції, що відбуваються при певному значенні рН.

4) Пояснити відмінність наслідків значного підвищення температури для активності неорганічних каталізаторів і ферментів.

а) активність неорганічних каталізаторів переважно збільшується, а ферментів – зменшується;

б) активність неорганічних каталізаторів переважно збільшується, а ферментів – припиняється;

в) активність і неорганічних каталізаторів і ферментів збільшується;

г) активність неорганічних каталізаторів не змінюється, а ферментів - спочатку збільшується, а потім припиняється.

5) Вказати, як залежить активність фермента від зміни середовища.

а) зміна середовища не впливає на активність фермента;

б) зменшення рН збільшує активність фермента;

в) зміна середовища призводить до інактивації фермента;

г) зміна середовища може збільшити або зменшити активність

фермента в залежності від будови і природи фермента.

ПРАВИЛЬНІ ВІДПОВІДІ

1) Правильна відповідь в).

Суть дії каталізатора, з сучасної точки зору, полягає в тому, що він проводить реакцію новим шляхом (найчастіше внаслідок утворення проміжної сполуки між каталізатором і однією з реагуючих ре­човин), для якого енергія активації значно нижча. Експериментально доведено, що для розкладу пероксиду водню на водень і кисень без каталізатора потрібно 75,3 кДж/моль енергії. При застосуванні колоїдної платини як каталізатора енергія активації знижується до 49,9 кДж/моль, а при дії фер­мента каталази - до 23 кДж/моль.

2) Правильні відповіді а), в), г).

При гетерогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор знаходяться у різних фазах, між ними є поверхня розділу фаз, на якій і відбувається реакція.

Реакції гомогенного каталізу б) і д) відбуваються у газовій фазі і взаємодія проходить у всьому об’ємі.

3) Правильна відповідь а).

Характерною особливістю каталізаторів єїх вибірковість або специфічність - здатність прискорювати тільки конкретну реакцію. Особливо яскраво проявляється вибірковість у ферментів. Так, фермент, що каталізує гідроліз сахарози, не каталізує гідроліз крохмалю, незважаючи на те, що і сахароза, і крохмаль – вуглеводи, і до складу їх молекул входить фрагмент Д-глюкози. Різні каталізатори або ферменти контролюють утворення різних продуктів з одних і тих же вихідних речовин. Так з етилового спирту можна одержати до 40 різних речовин. В організмі людини діють понад 100 різних ферментів. Вони ут­ворюють складні ферментні системи, що забезпечують низку послі­довних та узгоджених між собою перетворень. Відсутність високої специфічності ферментів призвела б до повного розладу систем організму.

4) Правильна відповідь б).

Дослідження показують, що неорганічні каталізатори збільшують активність при підвищенні температури. Більшість з них відмінно працює за умови високої температури (100-100°С). Ферменти здатні працювати у неширокому температурному діапазоні,

переважно 10 - 60°С, причому оптимальна температура для них - приблизно 40°С. При подальшому підвищенні температури активність ферментів падає, а при температурі вищій за 70°С ферменти втрача­ють активність, переважно внаслідок денатурації білкової структури.

5) Правильна відповідь в).

Ферменти проявляють свою активність у досить вузькому діапазоні значень рН. Так, уреаза активна при рН = 6,7, пепсин - при рН = 1,5 - 2,0; аргіназа - в інтервалі рН 9,5 - 9,9. Значна зміна величини рН, а тим більше, зміна середовища призведе до інактивації ферменту. Вплив реакції середовища на активність фермента пояснюється залежністю існування певної структури ферменту, що забезпечує його каталітичну активність, від вели­чини рН, оскільки переважна більшість ферментів має білкову природу.

8. ВКАЗІВКИ ДО РОБОТИ СТУДЕНТІВ НА ЗАНЯТТІ.

8.1. Відновлення перманганату калію в присутності каталізатора.

Налити у пробірку до половини об’єму розчин сірчаної кислоти (w = 30 %), додати три краплі розчину КМnO₄ ( молярна концентрація еквівалента 0,1 моль/л). Розчин перемішати і, якщо він набув роже­вого забарвлення, розлити у три пробірки.

У першу пробірку додати 1 краплю розчину КNO₃, а потім у першу і другу пробірки внести по шматочку цинку. Третя пробірка залишається для порівняння забарвлення.

Порівняти швидкість знебарвлення розчину у першій і другій пробірках та зробити висновок, вказавши, яка речовина є каталізатором. Скласти рівняння реакції за схемою:

Ζn + КМnO₄ + Н₂SO₄ ZnSO₄ + К₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O

8.2. Каталітичне відновлення роданіду заліза (III).

У дві пробірки налити по 3 мл розчину KCNS або NH₄CNS і по З краплі розчину FeCl₃. Утворюється роданід заліза (III) за реакцією:

3КСNS + FeСl₃ = Fe(CNS)₃ + 3КСl

В одну з пробірок додати 2 краплі розчину CuSO₄, а потім в обидві пробірки - по 3 мл розчину тіосульфату натрію. Порівняти швидкість знебарвлення розчинів у пробірках і зробити висновок, яка речовина є каталізатором і який це вид каталізу. Скласти рівняння реакції за схемою:

Fe(CNS)₃ +Na₂S₂O₃ Fe(CNS)₂ + Na₂S₄O₆ + NaCNS

8.3. Розклад пероксиду водню в присутності гетерогенного каталізатора.

До 2 мл розчину пероксиду водню додати невелику кількість порошку РbO₂ або МnO₂. Спостерігати бурхливе виділення кисню. Написати рівняння реакції каталітичного розкладу пероксиду.

8.4. Автокаталітичне відновлення перманганату калію в кислому середовищі.

У конічну колбу налити 10 мл розчину щавлевої кислоти Н₂С₂O₄ (w = 5% ), 5 мл розчину Н₂SO₄ (С = 0,1 моль/л). Потім однаковими порціями (по 0,2-0,5 мл) додавати з бюретки або піпетки розведений розчин перманганату калію, визначаючи час знебарвлення кожної порції.

Порівняти час знебарвлення першої порції перманганату калію знаступними і зробити висновок, вказавши, що є каталізатором. Скласти іонне рівняння реакції за схемою:

H₂C₂O₄ + MnO₄^- + H⁺ CO₂ + Mn²⁺ + H₂O

8.5. Оформлення протоколу лабораторної роботи.

У зошит записати необхідні рівняння реакцій та висновки до кожного з дослідів.

9. ЛІТЕРАТУРА.

1. Мороз А.С., Луцевич Д.Д., Яворська Л.П. Медична хімія. –В: НОВА КНИГА, 2006, с.457-486.

2. Медицинская химия: учеб. / В.А. Калибабчук, Л.И. Грищенко, В.И. Галинская и др.; под ред. В.А. Калибабчук. – К.: Медицина, 2008.

3. Садовничая Л.П., Хухрянский В.Г., Цыганенко А.Я. Биофизическая химия. К., Вища школа, 1986, с. 149-157

4. Ленский А.С. Введение в бионеорганическую и биофизическую химию. М., Высшая школа, 1979, с. 67-70, 73-79.

5. Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия. М., Высшая школа, 1975, с. 118-129.

Дата добавления: 2015-05-24