Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы

Для установления состава химических соединений очень важен закон постоянства их состава. Положения этого закона позволили химикам отделять настоящие химические соединения от простых смесей. Впер­вые в истории химии этот закон был сформулирован французским хи­миком Ж. Прустом в начале XIX в.:

► Любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, прочным притяжением со­ ставных частей и тем самым отличается от смесей.

Теоретически закон постоянства состава обосновал английский ес­тествоиспытатель Д. Дальтон в своем знаменитом законе кратных от­ношений: «соединения состоят из атомов двух или нескольких соеди­нений, образующих определенные сочетания друг с другом». В его честь все химические соединения постоянного состава (а их подав­ляющее большинство среди веществ) называют дальтонидами.

Закон постоянства состава вещества использовал и Д. И. Менделе­ев при разработке своей периодической системы — постоянство соста­ва соединений, которые может образовывать данный элемент, следует из его положения в периодической таблице Менделеева. Представле­ние о составе вещества — одно из концептуальных понятий для химии как естественной пауки. Постоянство состава химических соединений обусловлено физической природой химических связей, объединяю­щих атомы в одну квантово-механическую систему — молекулу.

Необходимость выработки строгих научных принципов относи­тельно состава вещества позволила химикам успешно развить строгое научное понятие химической реакции как процесса образования но­вых химических соединений. В химической реакции участвуют исход­ные вещества, которые реагируют друг с другом и с течением времени превращаются в новые вещества, называемые продуктами реакции. Из закона постоянства состава вещества следует постоянство не только состава молекул продуктов реакции, по и постоянство количествен­ных соотношений (массовых долей) исходных веществ.

► Стехиометрия — раздел химии, в котором рассматриваются массовые или объемные отношения между реагирующими вещества­ми. Законы стехиометрии так же непреложны, как и любые другие естественнонаучные законы; кроме того, их знание очень полезно для прикладной химии, потому что позволяет количественно рассчитать выход химической реакции и необходимое количество исходных веществ.

Процесс получения новых химических соединений с учетом стехиометрических соотношений обычно записывается в виде уравнения химической реакции, например:

6HCL + 2HNO₃ - 3CL₂ + 2NO + 4Н₂О,

где

♦ химические формулы слева от знака равенства обозначают исходные вещества;

♦ химические формулы справа от знака равенства обозначают продукты реакции;

♦ цифры перед формулами химических соединений являются так называемыми стехиометрическими коэффициентами; они раскры­вают массовые (или объемные) соотношения веществ.

В уравнении химической реакции нашел свое отражение еще один фундаментальный закон естествознания — закон сохранения вещест­ва, открытый нашим соотечественником М. В. Ломоносовым и незави­симо от пего — французом А. Л. Лавуазье. Именно в соответствии с этим законом и получается математическое выражение — уравнение: масса данного элемента слева от знака равенства должна быть равна массе этого же элемента справа от знака равенства, а стехиометрические коэффициенты уравнивают (не только математический, но и хи­мический термин!) данную реакцию.

Проникновение математических понятий, выражений, терминов (уравнения, коэффициенты) в химию, смешение терминологий озна­чает, что па важном историческом этане формирования химии как науки (XVIII-XIX вв.) она развивалась в соответствии с научной па­радигмой того времени — классической механикой. Применительно к химии эта парадигма могла бы быть выражена следующим образом: любой закон природы можно представить в виде математического со­отношения, записываемого с участием химических формул.

Еще один интересный случай проникновения классического нью­тоновского подхода в химию — понятие о скорости химической реак­ции. Пытаясь получить новые химические соединения, ученые-хими­ки разных эпох неоднократно отмечали тот факт, что некоторые веще­ства реагируют друг с другом мгновенно, часто с взрывом, а другие — медленно, в течение нескольких часов (суток). Скорости многих хи­мических процессов были установлены эмпирическим путем. И для вычисления скорости химических реакций было использовано ньютоновское представление о времени как о не зависящей от свойств веще­ства и пространства простой длительности. Процесс химической реак­ции можно рассматривать как процесс изменения концентраций на­чальных и конечных продуктов реакции, и, согласно классической механике, для любого процесса изменения (движения) во времени всегда можно рассчитать скорость этого изменения.

Современные квантовые представления о химических процессах рассматривают химическую реакцию как перераспределение электро­нов между статистически вероятными энергетическими уровнями участвующих молекул, создание межмолекулярных промежуточных реакционных комплексов и получение новых продуктов как энергети­чески выгодных состояний молекул. В рамках этих представлений классическая скорость реакций не имеет смысла, так как каждое новое энергетическое состояние рассматривается в рамках пространственно-временного континуума и перебор энергетических состояний про­должается до достижения наиболее энергетически выгодного. Тем не менее, классические представления о химических процессах активно используются в современной химии, особенно в прикладных областях химии и в химических пауках, лежащих «на стыке» с биологией, — биохимии, молекулярной биологии и др.

Закономерным этапом применения знаний об условиях протека­ния химических процессов стало развитие науки о том, как можно оказывать па них влияние и ими управлять. Такая наука получила на­звание химической кинетики, в котором также нашла отражение клас­сическая парадигма, ведь кинетика — это паука о движении. Но в клас­сической кинетике скорость — векторная величина, то есть имеет па-правление. Точно так же и в химической кинетике имеет значение направление химической реакции — различают реакцию прямую, то есть такую, в результате которой из исходных веществ получаются продукты реакции, и реакцию обратную, при которой происходит раз­ложение продуктов с получением исходных веществ. Так в химическую кинетику было введено понятие о химическом равновесии — состоя­нии, когда скорости прямой и обратной реакции равны между собой.

В рамках химической кинетики было сделано немало полезных от­крытий, которые показывают, как можно увеличивать скорость хими­ческих процессов за счет подбора условий — повышения температуры реакции, давления (если реакция протекает в газовой фазе), как мож­но сдвинуть химическое равновесие в сторону получения полезных продуктов реакции, не содержащих остатков, не прореагировавших ис­ходных продуктов, и т. д.

Эпохальным стало открытие веществ, которые при добавлении к реакционной смеси способны увеличить скорость реакции, при этом оставаясь неизменными (не меняя своего состава). Эти вещества по­лучили название катализаторов, то есть ускорителей, а их примене­ние — катализ. Сейчас сложно даже перечислить все химические про­мышленные процессы, где применяются катализаторы, — столь велико их число, особенно в органической химии. Известные примеры про­мышленного катализа — каталитический крекинг нефтепродуктов с получением углеводородов, применяемых в качества топлива (бензи­ны, дизельное топлива и т. д.), получение твердого заменителя сливоч­ного масла — маргарина — из жидких растительных масел и т. д.

Интересно, что наряду с огромным количеством реализованных уче­ными ускоряемых искусственными катализаторами химических про­цессов существуют природные катализаторы и природные каталити­ческие процессы. Пример природного катализа — процесс коррозии металлического железа, «ржавение», то есть его окисление в природе с образованием оксидов — ржавчины, происходит под действием ката­лизатора воды. В связи с этим интересен факт применения веществ, замедляющих некоторые нежелательные химические процессы, на­пример тот же процесс коррозии металлического железа. Эти вещест­ва называются ингибиторы, то есть замедлители. Легирующие добав­ки к сталям для защиты их от коррозии (получение нержавеющих ста­лей) — вот пример применения ингибиторов в промышленности. Как и катализаторы, ингибиторы бывают природного происхождения, на­пример ингибиторы гниения — натуральные консерванты, которые продуцируются некоторыми растениями.

Катализаторы и ингибиторы играют большую роль в биологиче­ских процессах. Известные всем ферменты — биокатализаторы, то есть вещества, которые ускоряют биохимические процессы внутри ор­ганизмов живых существ, причем живые существа самостоятельно синтезируют эти ферменты в различных органах и тканях. Ферменты управляют всеми процессами метаболизма у всех растений и животных, причем чем выше уровень организма, тем большее количество ферментов используется в нем. На настоящий момент неизвестно да­же приблизительно общее количество ферментов человеческого орга­низма, оценочное число — несколько тысяч.

Интересны факты использования жизненно важных ферментов, которые не может синтезировать человеческий организм, и поэтому исходные вещества для внутреннего синтеза ферментов — так назы­ваемые коферменты — он, как гетеротрофный организм, получает извне от растений и животных. Это всем известные витамины, «вещест­ва жизни», необходимые человеку па протяжении всего его жизненно­го цикла. Внутри человеческого организма они трансформируются в ферменты. Согласно представлениям современной эволюционной хи­мии, роль природных катализаторов очень важна в процессах эволю­ции неживой и живой материи.

Дата добавления: 2014-01-06