Спроси профессора о науке, химии и вообще...

Можно ли прожить без ускорения? Химическая кинетика и катализ.

Нельзя – и химическая промышленность остановится, и человеческий организм. Химия катализа изучает катализаторы, вещества, ускоряющие (кинетика) химические реакции. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Ферменты – это биологические катализаторы. Катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения реагентов в продукты.

Реакция, накормившая человечество (решение проблемы связанного азота) – цикл Габера-Боша. Аммиак получают с катализатором – пористым железом. Протекает при Р = 30 Мпа и Т = 420-500 °C

3Н2 + N2 = 2NH3

Водород для синтеза NH3 получают путем двух последовательных каталитических процессов: конверсии СН4 (СН4 + Н2О → СО + 3Н2) на Ni-катализаторах и конверсии образующегося оксида углерода (СО + Н2О → СО2 + Н2). Для достижения высоких степеней превращения последнюю реакцию осуществляют в две стадии: высокотемпературная (315-480°С) – на Fe-Cr-оксидных катализаторах и низкотемпературная (200-350°С) – на Cu-Zn-оксидных катализаторах. Из аммиака получают азотную кислоту и другие соединения азота – от лекарств и удобрений до взрывчатых веществ.

Различают катализы гомогенный, гетерогенный, межфазный, мицеллярный, ферментативный.

Энергия активации E каталитических реакций значительно меньше, чем для той же реакций в отсутствие катализатора. Например, для некаталитического разложения NH3 на азот и водород E = 320 кДж/моль, для того же разложения в присутствии платины Е = 150 кДж/моль. Благодаря снижению E обеспечивается ускорение каталитических реакций по сравнению с некаталитическими. Несмотря на появление новых способов активации молекул (плазмохимия, радиационное и лазерное воздействия и др.), катализ – основа химических производств. Относительная доля каталитических процессов в промышленности составляет 80-90 %.

Несколько слов о ферментах или энзимах (от лат. fermentum – закваска) – обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Ферменты действуют, например, в кишечнике. При этом витамин Е помогает ферментам достичь в неизменном состоянии кишечника. Работа ферментов значительно сокращает энергетические затраты организма на переработку пищи. Если Вы не любитель сырых фруктов и овощей, то, скорее всего, у Вас в организме ферментов вырабатывается недостаточно.

В настоящее время известны сотни наследственных заболеваний, связанные с дефектами ферментов. Разработаны методы лечения и профилактики многих из таких болезней.

Эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов – ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы – в сотни и тысячи раз.

Ферменты широко используются в пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии.

Работает Институт катализа СО РАН (Новосибирск). Есть журналы «Катализ в промышленности» и «Кинетика и катализ». Можно почитать: Крылов О.В. Гетерогенный катализ. М.: Академкнига, 2004; Диксон М., Уэбб Э. Ферменты. В 3-х т. Т.1-2. М.: Мир, 1982.