Dziedzina chemii, związana z tematem lekcji, to kinetyka chemiczna. Ten dział zajmuje się analizą przebiegu reakcji chemicznej pod wieloma względami. Zagadnienie, które wyjaśnia, w jaki sposób zachodzi reakcja pomiędzy cząsteczkami reagentów, to teoria zderzeń aktywnych. Polega ona na tym, że cząsteczki mogą reagować ze sobą, jeśli dojdzie pomiędzy nimi do zderzenia, a ich energia będzie odpowiednio wysoka. Takie zjawisko nazywa się zderzeniem efektywnymzderzenie efektywnezderzeniem efektywnym, a energia posiadana wówczas przez substraty nazywa się energią aktywacjienergia aktywacjienergią aktywacji. Teoria ta pozwala na wyjaśnienie, w jaki sposób oddziałują ze sobą cząsteczki substratów, jednak nie precyzuje, co dokładnie dzieje się w trakcie takiego zderzenia z atomami i wiązaniami w cząsteczkach. Tę kwestię tłumaczy teoria kompleksu aktywnegokompleks aktywnykompleksu aktywnego, czyli stanu przejściowego, występującego pomiędzy substratami a produktem.

RcpA57XTjBVrs

Wykres zależności energii wewnętrznej reagentów od czasu podczas reakcji egzoenergetycznej. Na wykresie zaznaczono energię początkową układu, odpowiadającą energii substratów A i B, które reprezentują odpowiednio dwie małe połączone ze sobą czerwone kulki oraz dwie większe połączone ze sobą fioletowe kulki. Dalej funkcja rośnie. Substraty A oraz B zbliżają się do siebie. Funkcja osiąga maksimum, co odpowiada energii kompleksu aktywnego utworzonego przez połączenie dwóch kulek czerwonych z dwiema kulkami fioletowymi. Energia aktywacji odpowiada różnicy energii kompleksu aktywnego i energii substratów. Dalej funkcja maleje, aż do osiągnięcia energii produktów, mniejszej od energii substratów, której odpowiadają dwie cząsteczki produktu, każda składająca się z jednej czerwonej i jednej fioletowej kulki.

Powyższy wykres ilustruje zmiany energii wewnętrznejenergia wewnętrznaenergii wewnętrznej reagentów w czasie przebiegu reakcji chemicznej. Dzięki niemu obserwujemy, że energia kompleksu aktywnego jest wyższa niż energia cząsteczek substratów, dzięki czemu możliwe jest powstanie docelowych produktów. To, czy reakcja zajdzie, determinuje powstanie kompleksu aktywnego. Ten stan przejściowy charakteryzuje się częściowymi zmianami wiązań i przegrupowaniami. Posiada również wysoką energię wewnętrzną (wyższą od tej dla sumy substratów i dla sumy produktów). Aby reakcja chemiczna mogła zajść, substraty muszą tę energię osiągnąć. Decyduje więc ona o powodzeniu danej reakcji i o jej szybkości. Pokonanie tej „bariery energetycznej”, wynikającej z energii aktywacji, jest możliwe m.in. poprzez zastosowanie katalizatorówkatalizatorkatalizatorów.

Katalizator jest substancją, która ułatwia przeprowadzenie reakcji chemicznej. Łączy się z substratami i tworzy zmodyfikowany kompleks aktywny, do którego utworzenia potrzebna jest znacznie mniejsza energia, niż do utworzenia kompleksu aktywnego wyłącznie między samymi substratami. Katalizator zatem obniża energię aktywacji danej reakcji chemicznej, ponieważ wytworzenie kompleksu aktywnego z jego udziałem dla cząsteczek substratów jest łatwiejsze – wymaga użycia mniejszej energii. Po jej zakończeniu, katalizator całkowicie się odtwarza, a więc jego ilość jest taka sama na początku, jak i po zakończeniu reakcji. Jego działanie polega na stworzeniu alternatywnej drogi reakcji – energie aktywacji reakcji, które biegną z udziałem katalizatora, są niższe od odpowiednich energii aktywacji bez jego udziału. Jeżeli reakcja bez katalizatora wymaga $E_a$, to w jego obecności dwie reakcje wykazują $E_{a1}$ i $E_{a2}$, przy czym każda z nich jest mniejsza od $E_a$. Zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej przez katalizator nazywa się katalizą.

RugJsSGusd2yN

Wykres zależności energii wewnętrznej od czasu dla reakcji egzoenergetycznej z udziałem oraz bez udziału katalizatora. Na osi poziomej czas, zaś na osi pionowej energia wewnętrzna. Zaznaczono energię substratów, od której poprowadzono przerywaną poziomą linię przez cały wykres. Wykres bez udziału katalizatora ma początek przy wartości równej energii substratów, następnie rośnie, co odpowiada energii aktywacji, osiąga maksimum i maleje, aż do osiągnięcia energii produktów, mniejszej od energii substratów. Wykres z udziałem katalizatora ma początek przy wartości równej energii substratów, następnie rośnie, co odpowiada energii aktywacji, osiąga maksimum, które odpowiada niższej energii niż maksimum przy reakcji zachodzącej bez udziału katalizatora. Po osiągnięciu maksimum funkcja maleje aż do osiągnięcia energii produktów, mniejszej od energii substratów.

Przeciwieństwem katalizatorów są inhibitoryinhibitorinhibitory – stosuje się je do reakcji przebiegających zbyt gwałtownie, aby zwolnić ich przebieg i uzyskać nad nimi kontrolę. Wyróżniamy katalizatory/inhibitory homogeniczne, czyli będące w takiej samej fazie, co substraty (stan skupienia katalizatorów/inhibitorów jest taki sam), oraz heterogeniczne, które są w innej fazie niż substraty (stan skupienia katalizatorów/inhibitorów jest różny). Kataliza jest bardzo ważnym procesem chemicznym, mającym wręcz strategiczne znaczenie na skalę międzynarodową. Odkrycie noblistów z $2010 \text{r}.$ – Richarda F. Hecka, Ei–Ichi Negishi, Akiry Suzukiego, dotyczące katalizowanych przez pallad reakcji sprzęgania krzyżowego (reakcja, w której następuje tworzenie wiązania węgiel‑węgiel), stosowanych w syntezie organicznej, pozwoliło na rozwinięcie wielu dziedzin, w tym przemysłu chemicznego, elektroniki, rolnictwa. Jednak najbardziej cennym okazało się zastosowanie reakcji sprzęgania w przemyśle farmaceutycznym do produkcji laboratoryjnej substancji, która hamuje rozwój komórek nowotworowych. Naturalnie występuje ona w gąbce Discodermia dissoluta (odkryta została w latach $80.$ na Karaibach).

Ciekawostka

R1Q2pCFUeEv5j

Ilustracja przedstawiająca strukturę (+)-dyskodermolidu, naturalnego związku o właściwościach immunosupresyjnych i przeciwnowotworowych. Cząsteczka zbudowana jest z dziewiętnastowęglowego łańcucha posiadającego dziewięć centrów chiralności cztery wiązania podwójne, w tym trzy o relacji Z i jedno znajdujące się przy końcu łańcucha. Łańcuch podstawiony jest grupą karbaminianową, trzema grupami hydroksylowymi oraz sześcioma grupami metylowymi. Ponadto z węgiel C19 jest węglem należącym do sześcioczłonowego pierścienia składającego się z pięciu atomów węgla i jednego atomu tlenu, który jest częścią laktonu. Pierścień posiada również trzy podstawniki, to jest dwie grupy metylowe, jedną hydroksylową oraz cztery dodatkowe centra chiralności.

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Bełtowska–Brzezinska M., Podstawy kinetyki chemicznej. Skrypt do wykładów, Poznań 2009.

Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.

Hejwowska S., Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.