Три принципиальных способа ускорения реакций

Отсюда можно сформулировать три принципиальных способа ускорения реакций

1. Первыйиз них — увеличение эффективной концентрации реагентов.

а) Данный механизм явно отсутствует в приведенных двух примерах катализа низкомолекулярными веществами (ионами Fe²⁺ и молекулами I₂).

Но он может играть важную роль, когда поверхность катализатора достаточно велика и на ней предварительно связываются молекулы реагентов. Такая ситуация имеет место при гетерогенном катализе, а также при ферментативном катализе, осуществляемом макромолекулами (каковыми являются белки).

в) Так вот, при связывании молекул реагентов с катализатором могут происходить их сильное сближение друг с другом и правильная ориентация друг относительно друга, что и означает повышение эффективной концентрации.

2. Второй принципиальный способ ускорения касается энергии активации.

т.е. это разница между средней и барьерной (в отношении реакционной активности) энергией вещества.

б) Отсюдавторой способ ускорения — это уменьшение энергии активации
«снизу»,т.е. за счет увеличения средней энергии реагентов ( ; рис. 20.1).

Этот способ тоже возможен лишь в случае катализаторов с достаточно
большой поверхностью (ферменты; гетерогенный катализ).

в) Можно представить, что связывание реагента с катализатором сопровождается созданием напряжения в молекуле реагента. Из-за взаимодействия с химическими группами катализатора, определенная связь в реагенте как бы растягивается» (ослабевает), что означает переход реагента в возбуждённое состояние.

г) Когда же превращение молекулы реагента в продукт завершается, часть высвобождающейся в реакции энергии идёт на восстановление прежней структуры катализатора. Таким образом, повышение энергии реагента катализатором совершается как бы «в долг» – в счёт части энергии последующей реакции.

3. а) И, наконец, третий способ ускорения — уменьшение энергии активации «сверху»,т.е. путем снижения энергетического барьера ( ; рис. 20.2).

б) Этого можно достичь путем разбиения исходной реакции на несколько других с меньшими значениями барьерной энергии.

Если соответствующие группы катализатора уже находятся в реакционно-
активном состоянии, то на первой стадии необходимо активирование лишь
реагента S₁, а на второй — реагента S₂.

в) В исходной же реакции требуется одновременная активация сразу обоих реагентов. Следовательно, энергия активации каждой промежуточной реакции ниже (за счет более низкого барьера) энергии активации исходной реакции. И наиболее высокое из этих небольших значений определяет константу скорости результирующего превращения.

г) Очевидно, именно данный способ реализуется при катализе неорганическими веществами. В случае же ферментов могут использоваться все три способа (хотя, конечно, не обязательно, что все способы — сразу).

4. Продемонстрируем, насколько эффективно влияет снижение ∆G⁰_ак на константу скорости. Пусть под влиянием катализатора ∆G⁰_акуменьшается от 109 кДж/моль до 74,5 кДж/моль.

т.е. скорость реакции увеличивается в миллион раз.