Катализ и температурная зависимость

Скорость реакции резко возрастает с температурой в соответствии с уравнением Аррениуса, а катализаторы ускоряют реакции, предоставляя альтернативные пути с более низкими энергетическими барьерами активации.

Definition

Катализ — это ускорение реакции веществом, которое обеспечивает путь с более низкой энергией и регенерируется в неизменном виде, а температурная зависимость относится к соотношению Аррениуса между константой скорости, энергией активации и температурой.

Scope

Эта тема охватывает температурную зависимость констант скорости через уравнение Аррениуса, энергию активации и предэкспоненциальный множитель, а также их молекулярную интерпретацию с помощью теории столкновений и теории переходного состояния. Она охватывает кинетику катализа: как катализаторы снижают барьер активации, не расходуясь, гомогенный и гетерогенный катализ, поверхностные механизмы Ленгмюра-Хиншелвуда и Или-Ридила, а также ферментативный катализ по схеме Михаэлиса-Ментен. Детальная теория активированного комплекса и лежащие в ее основе кинетические законы рассматриваются в смежных темах.

Core questions

• Как уравнение Аррениуса связывает константу скорости с температурой и энергией активации?
• Как катализатор увеличивает скорость, не расходуясь и не смещая равновесие?
• Как механизмы Ленгмюра-Хиншелвуда и Или-Ридила описывают поверхностный катализ?
• Как схема Михаэлиса-Ментен объясняет ферментативную кинетику и насыщение?

Key concepts

• Уравнение Аррениуса и предэкспоненциальный множитель
• Энергия активации
• Гомогенный и гетерогенный катализ
• Механизмы Ленгмюра-Хиншелвуда и Или-Ридила
• Ферментативная кинетика Михаэлиса-Ментен

Key theories

Уравнение Аррениуса

Константа скорости экспоненциально зависит от отрицательного отношения энергии активации к тепловой энергии, поэтому график логарифма константы скорости в зависимости от обратной температуры позволяет определить энергию активации по его наклону.

Ферментативная кинетика Михаэлиса-Ментен

Фермент связывает субстрат в быстром предравновесии, образуя комплекс, который превращается в продукт, давая скорость, которая возрастает с концентрацией субстрата и достигает насыщения при максимальной скорости, характеризуемой константой Михаэлиса.

Clinical relevance

Эти идеи лежат в основе промышленного гетерогенного катализа, такого как синтез аммиака и каталитические нейтрализаторы, температурного контроля и стабильности химических процессов и хранимых материалов, а также количественного анализа ферментов, что делает катализ центральным элементом биохимии и действия лекарств.

History

Берцелиус назвал катализ в 1835 году; Аррениус сформулировал температурный закон скоростей в 1889 году, а в начале двадцатого века появились поверхностная кинетика Ленгмюра и трактовка ферментов Михаэлисом-Ментеном в 1913 году, что утвердило катализ как количественную область кинетики.

Key figures

• Svante Arrhenius
• Jons Jacob Berzelius
• Leonor Michaelis

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

Расходуется ли катализатор в реакции?

Нет. Катализатор участвует в механизме, но регенерируется к концу каталитического цикла, поэтому в принципе небольшое количество может превратить большое количество реагента, хотя реальные катализаторы со временем могут деградировать или отравляться.

Почему повышение температуры обычно так резко ускоряет реакции?

Доля молекул, обладающих достаточной энергией для преодоления активационного барьера, экспоненциально возрастает с температурой, поэтому даже умеренное повышение температуры может значительно увеличить скорость, вот почему многие реакции примерно удваивают свою скорость при каждом десятиградусном повышении.