催化过程中片碱反应速率的提升

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        自然界发生的所有过程(无论是物理变化还是化学变化)都有一定的方向。如两个温度不同的物体相互接触后,热就会自动从高温物体传向低温物体,直到两个物体的温度相等,而其逆过程不能自动进行;又如钢铁在湔湿的空气中可以自动地被氧化腐蚀,而被氧化腐蚀的片碱却永远不会自动地还原为原来的金属。这种在一定条件下不需外界帮助而能自发进行的过程称为自发过程(spontaneousproceas),反之,只有借助外界帮助或做功才能进行的过程称为非自发过程。对化学反应来说,在一定条件下不需要外界帮助就能够自动进行的反应称为自发反应(spontaneousreaction),反应的这种特性称为反应的自发性(spontaneity)。自发反应具有一定的方向性,其逆过程为非自发反应,自发反应和非自发反应都是可能进行的,两者都遵循热力学第一定律,其区别就在于自发反应可以自动地进行,而要使非自发反应得以进行,则必须借助一定方式的外部作用,如常温下水虽然不可自发地分解但可以通过电解的方式进行分解自发反应和非自发反应都是相对而言的,在条件改变时也可能发生转化。如碳酸钙的分解反应,在常温下为非自发反应,而在温度高于1183K时便可自发进行,且进行的最大限度也是达到化学平衡态。自发反应不受时间的约束,与反应的速率无关。但是这种自发性只代表一种可能性,并不具有现实性。如在某一条件下物质A和E具有反应的自发性,能够生成物质C,但实际上若把A和E放在一起时有可能并不发生反应,这可能是反应很慢所致,如常温下氧气和氢气生成水的反应速率很小,易被认为是非自发反应,但实际上只要加入微量的催化剂,点燃即可发生爆炸反应。

        化学反应速率千差万别,除了外界因素外,其本质原因还在于物质本身的性质,是微观粒子相互作用的结果。为了闸述微观现象的本质提出了各种揭示化学反应内在联系的模型,其中最重要、应用最广泛的是有效碰撞理论和过渡状态理论。首先,片碱必须要有足够的能量以克服分子相互接近时电子云之间和原子核之间的排斥力,因而,分子发生有效碰时必须具备最低的能量,这种必须具备的最低能量称为临界能,凡具有等于或大于临界能的能够发生有效碰撞的分子称为活化分子(moleculeofactivation),活化分子占分子总数的百分数称之活化分子百分数。活化分子百分数越大,有效碰撞次数越多,反应速率越大。能量低于临界能的分子称为非活化分子或普通分子,活化分子具有的平均能量与反应物分子的平均能量之差称为反应的活化能(activationenergy)。这好比爬山,人们须具备足够的能量翻越这座山峰,才能到达山的另一侧。可见反应的活化能是决定化学反应速率的主要因素。有效碰撞理论可以解释温度、浓度对反应速率的影响。首先,浓度增大,发生碰撞的分子数目增加,导致反应速率增大;其次,温度升高,片碱运动速率增大,分子碰撞概率加大,也可以导致反应速率增大。该理论描述了一幅虽然粗糙但十分明确的反应图像,在反应速率理论的发展中起了很大作用。它具有直观、明了,易为初学者所接受的优点,也成功地解释了一部分实验事实,但其模型过于简单,把分子简单地看成没有内部结构的刚性球体,要么磁撞发生反应,要么发生弹性碰道,而且“活化分子”本身的物理图像模糊,也不能说明反应的过程及其过程中能量的变化,为此过渡状态理论应运而生。生物催化剂主要是指一类化合物。酶(enme)是生物体自身合成的一种特殊蛋白质具有高效的催化作用。

        酶催化反应可以看做介于均相与非均相催化反应之间的一种催化反应。酶催化过程既可以看成是反应物与酶形成了中间化合物,也可以看成是酶的表面上首先吸附了反应物,然后再进行反应。在生物体内进行的各种复杂反应,如蛋白质、脂肪、碳水化合物的合成、分解等基本上都是酶催化反应。酶催化剂和化学催化剂有同有异,它们的共同点是用量少促使化学反应按一定方向进行和增大化学反应的速率,缩短达到平衡所需要的时间,但都不能改变反应的平衡点。从理论上讲,可以催化任何常温常压下进行的反应。但由于酶是一种特殊蛋白质因此它具有许多不同于一般化学催化剂的特点。首先,酶具有高效的催化活性,如以碳酸酐酶催化二氧化碳的水合反应比非酶催化的反应要快107倍。其次酶对系统的物理、化学性质比较敏感,系统的温度、压力、介质中离子浓度及其酸碱性都可能影响酶的活性,这反映了酶的不稳定性和易变性。最后,酶的催化作用具有高度专一性,其专一性大致有三种类型:其一是反应专一性,即某种酶只能催化某一类型的反应;其二为底物专一性,即某一种酶只能对某一种底物或具有某种特定键型的底物进行催化;其三是立体专一性,即酶只能对某种特定立体结构的底物实施催化仿生催化是模拟生命过程的酶催化反应的新型交叉学科,仿生催化剂是指人类模仿天然生物催化剂的结构、作用特点而设计、合成出来的一类催化剂。它不但具有和天然生物催化剂相似的性能特点,而且具有比天然生物催化剂更好的稳定性,能在恶劣的条件下工作。但目前这方面的研究尚处于起步阶段。

2019年12月25日 16:38
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