Классификация реакций, применяющихся в кинетике: гомогенные, гетерогенные, микрогетерогенные; простые и сложные (параллельные, последовательные, сопряженные, цепные)

Гомогенная реакция происходит в гомогенной системе и осуще­ствляется во всем объеме этой системы.

Гетерогенная реакция происходит между веществами, образую­щими гетерогенную систему. Она проходит только на поверхности раздела фаз этой системы. Например:

Fe + 2НСl→FeCl₂ + Н₂

Растворение металла в кислоте может происходить только на поверхности металла, так как только здесь контактируют друг с дру­гом оба реагирующих вещества.

Микрогетерогенный катализ - это такой тип катализа, когда катализатор и реагенты находятся в коллоидно-дисперсном состоянии. Размеры частичек ферментов близки к размерам мицелл коллоидных растворов – 1-100 нм. По отношению к субстратам, частички которых часто намного меньше, катализаторы являются гетерогенными.

Различают простые и сложные реакции. Простыми, элементар­ными являются одностадийные реакции. Например:

Н₂ + I₂ → 2HI, СH₃-N=N-CH₃ → C₂H₆ + N₂

Простых реакций мало, большинство процессов - сложные. Сложными называются многостадийные реакции.

Сложные, или многостадийные, реакции могут быть параллельными, последовательными, сопряженными, цепными, фотохимическими и т. д.

Параллельные - это реакции, в результате которых из одного или нескольких веществ в зависимости от условий образуются различные продукты, например, при термическом разложении хлората калия одновременно идут два превращения:

KCl + O₂

 

KClO₃

 

KClO₄ + KCl

В организме параллельно с биологическим окислением глюко­зы может происходить ее молочнокислое или спиртовое брожение. В биосистемах таких случаев много. Организм должен найти опти­мальные доли каждого из направлений.

Последовательные (консекутивные) - это реакции, которые про­текают в несколько стадий. Продукты, образовавшиеся в первой стадии, являются исходными веществами для второй и т. д.:

k₁ k₂ k₃

A → B → C → D

Примерами последовательных реакций в организме могут быть биологическое окисление глюкозы, гидролиз АТФ и др.

Скорость процесса определяется скоростью самой медленной стадии, которую называют лимитирующей.

Сопряженные - это частный случай параллельных реакций:

1) A + B → E;

2) A + C → F;

из которых первая протекает лишь совместно со второй, т. е. индуцируется второй реакцией. Первая реакция не происходит до тех пор, пока не введено в систему вещество С - индуктор. Явление химической индукции впервые исследовал в 1905 г. русский ученый А.Н. Шилов.

В биологических системах все эндергонические реакции протекают по механизму сопряженных реакций. Клеточное окисление углеводов или липидов в организме приводит к синтезу аденозинфосфорной кислоты, которая, в свою очередь, индуцирует другие пре­кращения, в частности биосинтез белков и нуклеиновых кислот.

Цепные - это реакции, происходящие с участием свободных радикалов (остатков молекул, имеющих неспаренные электроны и проявляющих вследствие этого очень высокую реакционную спо­собность).

Примером цепной реакции может быть синтез хлороводорода:

H₂+Cl₂ → 2HCl.

Под действием кванта энергии молекула Сl₂ образует два ради­кала.

Реакция начинается при облучении смеси исходных веществ ультрафиолетовым светом:

hv

С1₂ Cl· + Cl· (зарождение цепи).

Далее происходит развитие цепи:

Cl· + Н₂ → НСl+ Н;

Н· + Сl₂ → НСl + Cl^·.

Это пример неразветвленной цепной реакции.

В разветвленной цепной реакции взаимодействие свободного радикала с молекулой исходного вещества вызывает образование не одного, а двух или большего числа новых радикалов:

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О;

Н₂ + О₂ → ОН· + ОН·;

ОН· + Н₂ → Н₂О + H·;

H· + О₂ → ОН· + O·;

O· + Н₂ → ОН· + H·.

Обрыв цепи может происходить при рекомбинации свободных радикалов, а также при взаимодействии их с посторонними веще­ствами.

Токсические вещества часто действуют по цепному механизму, обусловливая в организме необратимые изменения. Вещества, спо­собные обрывать разветвленное цепное окисление и таким образом предотвращать окислительные процессы, называются антиоксидантами.

Примером антиоксиданта, препятствующего в организме окис­лению ненасыщенных липидов и предохраняющего биологические мембраны от разрушения, является витамин Е. Его биологическая активность основана на способности образовывать устойчивые сво­бодные радикалы в результате отщепления атома водорода от гидроксильной группы. Эти радикалы вступают во взаимодействие с другими свободными радикалами, которые способствуют образова­нию органических пероксидов.

Цепные реакции играют важную роль в ряде патологических биопроцессов: канцерогенез, лучевая болезнь и др. К цепным процессам принадлежат ядерные реакции, взрывы, реакции полимеризации и др.