В чём состоит механизм действия катализаторов?
Катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, оставаясь неизменными по окончании процесса. Их действие основано на создании альтернативного пути для реакции с более низкой энергией активации, чем у некатализируемой реакции. Это означает, что катализаторы снижают минимальную энергию, необходимую для протекания реакции, делая её быстрее и эффективнее.
Какими свойствами должны обладать катализаторы?
Селективность — способность катализировать только определённые реакции, не влияя на другие процессы. Стабильность — способность сохранять свою активность и структуру в условиях реакции. Активность — способность существенно ускорять реакцию, снижая энергию активации.
Первая стадия разложения озона под действием атомарного хлора в качестве катализатора описывается уравнением реакции Cl+O3-ClO+O2. Считая, что весь процесс двустадийный, напишите уравнение второй стадии.
Что касается реакции разложения озона, первая стадия, как указано, описывается уравнением:
Cl+O 3→ClO+O 2 Вторая стадия — это реакция между образовавшимся соединением ClO и другим атомом кислорода, что завершает процесс разложения озона. Уравнение второй стадии:
ClO+O→Cl+O 2 В результате после обеих стадий атом хлора (катализатор) восстанавливается и может участвовать в следующем цикле разрушения молекул озона.
Энергия активации реакции разложения озона в присутствии катализатора С1 составляет 2,1 кДж/моль, а без катализатора — 14,0 кДж/моль. Во сколько раз скорость каталитического разложения озона больше скорости реакции в отсутствие катализатора при 25 °С?
Чтобы определить, во сколько раз катализатор ускоряет реакцию, используем уравнение Аррениуса, которое связывает скорость реакции с энергией активации. Нам важно найти отношение скоростей реакции с катализатором и без него. Это отношение выражается как:
kкат / kбез = e^( (Eбез - Eкат) / (R * T) ),
где:
Eкат = 2,1 кДж/моль (переводим в Дж/моль, получаем 2100 Дж/моль), Eбез = 14,0 кДж/моль (это 14000 Дж/моль), R = 8,314 Дж/(моль * К), T = 25 °C, что в Кельвинах равно 298 К. Теперь подставим значения:
kкат / kбез = e^((14000 - 2100) / (8,314 * 298)).
Считаем показатель экспоненты:
14000 - 2100 = 11900 Дж/моль, 8,314 * 298 ≈ 2477,57 Дж/моль * К,
11900 / 2477,57 ≈ 4,8.
Теперь вычисляем экспоненту: e^4,8 ≈ 121,5.
Ответ: скорость разложения озона с катализатором примерно в 121,5 раза больше скорости реакции без катализатора при температуре 25 °C.
Энергия активации гидролиза сахарозы в кислотной среде равна 107 кДж/моль, а в присутствии фермента сахаразы — 36 кДж/моль. Во сколько раз скорость ферментативной реакции больше скорости реакции в кислотной среде при 25 °С?
Для расчета отношения скоростей двух реакций используем уравнение Аррениуса: k = A * e^(-Ea / (R * T)), где k — скорость реакции, Ea — энергия активации, R — универсальная газовая постоянная (8.314 Дж/(моль·К)), T — температура в Кельвинах.
Отношение скоростей можно выразить как:
k1 / k2 = e^((Ea2 - Ea1) / (R * T))
Подставляем значения: Ea1 = 107000 Дж/моль (кислотная среда), Ea2 = 36000 Дж/моль (ферментативная среда), T = 25 + 273 = 298 К, R = 8.314 Дж/(моль·К).
Вычисляем: k1 / k2 = e^((107000 - 36000) / (8.314 * 298)) k1 / k2 = e^(71000 / 2475.572) k1 / k2 = e^28.67 k1 / k2 ≈ 3.23 * 10^12
Ответ: скорость ферментативной реакции примерно в 3.23 * 10^12 раз больше скорости реакции в кислотной среде.
Чем объясняется высокая селективность каталитического действия ферментов?
Высокая селективность каталитического действия ферментов объясняется их уникальной структурой. Активные центры ферментов имеют определённую форму и химическое строение, что позволяет им взаимодействовать только с конкретными молекулами (субстратами). Это взаимодействие можно сравнить с моделью "ключ и замок": фермент "признаёт" только подходящие молекулы, с которыми он способен образовывать временные связи, что значительно ускоряет реакцию.
Используя энергетическую диаграмму (см. рис. 152), объясните, почему катализатор не изменяет тепловой эффект реакции.
Катализатор не изменяет тепловой эффект реакции, поскольку он не влияет на разницу энергии между исходными веществами и продуктами реакции. В энергетической диаграмме видно, что катализатор снижает энергию активации, то есть ту энергию, которая нужна для начала реакции. Но он не изменяет начальную и конечную энергетические состояния реагентов и продуктов. Поэтому тепловой эффект, зависящий от разницы энергий до и после реакции, остаётся тем же как при наличии, так и при отсутствии катализатора.