Тема 5. Кинетика химических реакций

Химическая кинетика занимается изучением скорости химических реакций, в том числе влияния на неё различных факторов (температуры, давления, концентрации, присутствия катализаторов и др.), а также их механизма. Отсюда следует её первостепенное значение для определения и продления сроков годности лекарственных препаратов, расчета эффективности аппаратов, используемых для получения лекарственных веществ, для изучения механизма как химических, так и биохимических реакций. Такие составляющие действия лекарств, как высвобождение, всасывание из пищеварительного тракта и через кожу, диффузия через клеточные мембраны, взаимодействие с рецептором и т. п. описываются кинетическими уравнениями; их изучением занимаются специальные фармакологические дисциплины - фармакокинетика и фармакодинамика.

Присутствие катализаторов сказывается не только на процессах получения, но и на реакциях разложения веществ, в том числе лекарственных. При этом различные примеси, в том числе продукты разложения, материал сосуда или упаковки могут являться как катализаторами, так и ингибиторами. Ингибиторы в ряде случаев специально вводятся в лекарственные препараты для продления сроков годности.

Практически все реакции, протекающие в живом организме, осуществляются с помощью биологических катализаторов - ферментов (энзимов). На основе ферментов создано много лекарственных препаратов, применяемых главным образом для стимуляции обменных процессов.

Изучив данную тему и выполнив лабораторные работы, относящиеся к ней, студент должен знать:

· виды скорости химических реакций, факторы, влияющие на неё;

· закон действующих масс;

· кинетическую классификацию химических реакций;

· понятие о молекулярности и порядке (псевдопорядке) реакций;

· методы определения порядка реакций;

· кинетические уравнения реакций 1 и 2 порядков;

· способы расчета сроков годности и времени полупревращения веществ в реакциях 1 и 2 порядков;

· правило Вант-Гоффа;

· понятие о температурном коэффициенте скорости;

· уравнение Аррениуса, его практическое значение для расчета сроков годности лекарственных веществ методом ускоренного старения.

Студент должен уметь:

· определять скорость химических реакций;

· определять порядок реакции;

· рассчитывать константы скорости реакции 1 и 2 порядка;

· рассчитывать энергию активации реакции;

· рассчитывать сроки годности лекарственных веществ.

Студент должен приобрести или закрепить навыки:

· титрования растворов;

· работы с поляриметром;

· работы с фотоколориметром;

· пользования мерной посудой и лабораторным оборудованием;

· расчетов по различным уравнениям;

· построения графиков и интерпретации экспериментальных и расчет- ных данных;

· пользования справочной литературой.

Любая химическая реакция представляет собой совокупность элементарных актов химического превращения, каждый из которых есть превращение одной или нескольких частиц реагентов в частицы продуктов. Простые реакции состоят из однотипных элементарных актов. В зависимости от числа частиц, принимающих участие в элементарном акте, они подразделяются на моно-, би-, и тримолекулярные реакции. Сложные реакции осуществляются при протекании разнотипных элементарных актов.

Согласно закону действующих масс скорость v простых реакций прямо пропорциональна произведению концентраций исходных веществ, возведенных в степени (как правило, совпадающие со стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции). Так, для реакции вида:

aA + bB ® yY + xX

скорость можно рассчитать по уравнению v = k C_A^a C_B^b,

где k - константа скорости реакции, представляющая собой скорость её при концентрациях реагентов, равных 1 при той же температуре, т.е. скорость реакции в стандартных условиях.

Показатели степени при концентрациях определяют порядок реакции по данному веществу, а их сумма - общий (суммарный) порядок реакции.

Порядок реакции может изменяться в зависимости от условий. Главным образом на него влияет соотношение концентраций реагентов. Поэтому порядок нельзя предсказать априорно, только по виду уравнения реакции. В каждом конкретном случае порядок реакции должен определяться экспериментально.

Для определения порядка существуют различные методы, из которых наиболее часто употребляются следующие:

1. Метод подстановки. По экспериментальным данным для различных отрезков времени рассчитывается несколько значений константы скорости по кинетическим уравнениям 1, 2, 3 порядков. Если близкие друг другу значения получаются при использовании уравнений 1 порядка, то принимается, что реакция имеет порядок 1. Если же при использовании определенного уравнения получаются различные по величине значения k, то нужно провести расчет по уравнениям для других порядков. В том случае, когда ни одно из уравнений не позволяет получить близкие значения k, принимается, что реакция имеет дробный порядок и сложный механизм.

2. Графический метод. Подбирается вид уравнения, при котором график зависимости концентрации реагентов от времени представляет собой прямую линию. Для первого порядка это уравнение lgC - t, для второго 1/C - t и т. д.

3. Метод времени полупревращения. Для характеристики протекания реакции во времени, кроме скорости и константы скорости, используют и другие величины, например, время полупревращения t_1/2, за которое концентрация реагента уменьшится в 2 раза. По виду уравнения, связывающего t_1/2 с константой скорости, можно судить о порядке реакции.

Одной из важнейших характеристик лекарственных препаратов является срок годности, представляющий собой время, за которое основное действующее лекарственное вещество в нём разложится не более, чем на 10%. Срок годности может быть определен с помощью кинетического уравнения реакции разложения данного вещества (при известной константе скорости).

Зависимость константы скорости от температуры выражается уравнением Аррениуса:

k = A e ^{-E¹ /RT},

где А – предэкспоненциальный множитель, зависящий от частоты столкновения частиц и их взаимной ориентации, Е^¹ - энергия активации реакции, представляющая собой разность между энергией, необходимой для протекания данной реакции, и средней энергией молекул исходных веществ.

Чтобы избавиться от трудно определяемого коэффициента А, уравнение Аррениуса в логарифмической форме дифференцируют по температуре и затем интегрируют в интервале температур от Т₁ до Т₂. При этом получается выражение:

где k₁ и k₂ – константы скорости реакции при температуре Т₁ и Т₂ соответственно, R - универсальная газовая постоянная.

Графическим отображением уравнения Аррениуса является прямая линия в координатах ln k - 1/T (аррениусовская зависимость). Эта зависимость лежит в основе определения сроков годности лекарств в растворах методом ускоренного старения. Метод заключается в том, что определяется несколько констант скорости реакции разложения лекарственного вещества при высоких температурах (когда в соответствии с правилом Вант-Гоффа скорость разложения резко возрастает) и затем с помощью экстраполяции находится k при температуре хранения. Исходя из её значения рассчитывается срок годности.

Вопросы для самоподготовки

1. Предмет химической кинетики. Её значение для фармации, медицины, биологии.

2. Скорость химической реакции. Размерность скорости. Истинная (мгновенная) и средняя скорость.

3. Кинетическая классификация химических реакций. Молекулярность и порядок реакции (по данному веществу и в целом).

4. Способы определения порядка реакции.

5. Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов. Закон действующих масс. Константа скорости.

6. Реакции 1-го порядка. Вывод кинетического уравнения. Время полупревращения.

7. Расчет сроков годности лекарственных препаратов. Метод ускоренного старения.

8. Реакции 2-го порядка. Кинетические уравнения: а) для случая равных и б) для случая неравных концентраций реагентов. Время полупревращения.

9. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Температурный коэффициент скорости.

10. Основные положения теории активных столкновений. Энергия активации реакции. Лимитирующая стадия.

11. Уравнение Аррениуса (вывод). Расчет энергии активации. Расчет констант скорости реакции при различных температурах.

12. Основные положения теории переходного состояния. Активированный комплекс. Энергетический профиль реакции.

13. Сложные реакции (последовательные, цепные, параллельные, сопряжённые). Примеры сложных реакций.

14. Особенности протекания гетерогенных реакций. Примеры. Реакции с диффузионным и кинетическим контролем.

15. Фотохимия. Фотохимические реакции (примеры). Основные законы фотохимии (закон Гротгуса - Дрейпера, закон Бунзена - Роско, закон Штарка - Эйнштейна). Фотохимические реакции в фармации.

16. Световая и темновая стадии фотохимических реакций. Фотосенсибилизация. Квантовый выход реакций.

17. Катализ. Значение катализа в фармации и биологии. Виды катализа (гомогенный и гетерогенный). Катализаторы, ингибиторы, промоторы, каталитические яды.

18. Механизм действия катализатора. Его влияние на энергию активации реакции. Примеры гомогенного катализа. Кислотно-основный катализ в фармации и биологии.

19. Гетерогенный катализ. Активные центры. Мультиплетная теория Баландина.

20. Катализ на носителях. Теория активных ансамблей Кобозева.

21. Ферментативный катализ. Ферменты.