KSE5 (1153101), страница 5
Текст из файла (страница 5)
На основании работ этой тройки химиковпоявилась возможность делать трехмерное изображение белковых молекул, а это, и своюочередь, позволило понять, как работает в клетке тот или иной белок. Открытия этихученых дали жизнь новому научному направлению — протпеомике (науке исследованиябелков, их функций, их взаимодействия и роли в поддержании жизни), — которая сегоднябыстро приобретает громадное значение и становится даже более важной, чем популярнаягеномика.В 2003 г. Питер Эгр из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса и РодерикМаккиннон из Медицинского института Говарда Хьюза получили Нобелевскую премию«за открытие каналов в клеточных мембранах».
Это открытие дало первоначальныйтолчок громадному спектру биохимических, физиологических и генетическихисследований. Водные каналы в мембранах, как выяснилось, предназначены только дляводы, и ионы солей не пропускают. Следовало поэтому искать ионные каналы. Спустя 10лет Родерик Маккиннон (Roderick MacKinnon) поразил научное сообщество уникальнымэкспериментом, в ходе которого смог определить пространственную структуру калиевогоканала для ионов, который может открываться и закрываться различными клеточнымисигналами.Другие открытия позволят внедрять новые методы лечения, начать производствосовременных лекарств, дадут возможность «исправления» неблагоприятной наследственности, совершенствовать промышленные процессы. С открытием новыхкатализаторов появилась возможность получать совершенно новые вещества, которые доэтого были просто немыслимы.5.6.
Учение о химических процессахХимические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так иживой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Способность квзаимодействию различных веществ определяется не только атомно-молекулярнойструктурой, но и условиями протекания химических реакций. Перед химической наукойстоит принципиальная задача — научиться управлять химическими процессами. Дело втом, что одни процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы,другие трудно остановить (например, реакции горения и взрывы). Некоторые процессытрудноуправляемы, поскольку в результате самопроизвольно образуется большоеколичество побочных продуктов.
Для управления химическими процессами разработанытермодинамический и кинетический методы. К термодинамическим условиям относятсяусловия, характеризующие зависимость протекания реакции от температуры, давления инекоторых других факторов. В еще большей степени характер и особенно скоростьреакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторови других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей и, стенок реактора и иныхусловий.Термохимия.
Всякая химическая реакция сопровождается поглощением иливыделением тепла; в первом случае реакцию называют эндотермической, во втором —экзотермической. Например, горение природного газа и соединение металлов с серой —экзотермические реакции, а образование оксидов азота из азота и кислорода и разложениекарбоната кальция ~ эндотермические. Если в ходе реакции выделяется тепло, то этозначит, что реагенты в скрытой форме обладали энергией ещё до начала реакции.
Этаскрытая энергия, освобождающаяся при химических реакциях, называется внутреннейэнергией вещества. Тепловой эффект реакции характеризует изменение запаса этойвнутренней энергии. Тепловой эффект зависит только от начального и конечногосостояния реагентов и не зависит от промежуточных стадий процесса (закон Гесса). Раздел химии, в котором изучают энергетические изменения при химических реакциях,называется термохимией. Одна из важных областей применения термохимии — горениеорганических топлив.Химическое равновесие.
Практически все химические реакции являются обратимыми,т.е. по мере протекания химической реакции количества исходных веществ уменьшаются,а продукты реакций накапливаются и наступает момент, когда количества всех веществ —исходных реагентов и конечных продуктов — перестают изменяться; наступаетхимическое равновесие. При этом наряду с образовавшимися продуктами остаётся ещёнекоторое количество исходных веществ; количества реагентов в этом состоянииназываются равновесными.Рассмотрим реакцию между водородом и йодом: Н2 +I2 = 2НI. Наряду с образованием HIиз Н2 и I2 происходит и обратный процесс разложения HI.
По мере возрастанияколичества HI и убывания количеств Н2 и I2 прямая реакция замедляется, а обратнаяускоряется. Наступает момент, когда скорости обеих реакций сравниваются: сколькомолекул HI образуется, столько же их и разлагается. Таким образом, равновесие — это непрекращение реакций, а такое состояние, при котором прямая и обратная реакциипротекают с взаимно компенсирующимися скоростями.Система, находящаяся в состоянии равновесия, будет находиться в этом состоянии дотех пор, пока внешние условия сохраняются неизменными.
Если же условия изменятся, тоскорости прямой и обратной реакций изменятся неодинаково, начнётся реакция, и онабудет продолжаться до тех пор, пока не установится новое состояние равновесия, приновых значениях равновесных концентраций.Равновесие зависит от условий протекания процесса и чистоты реагентов. Смещениеравновесия в ту или иную сторону требует специальных способов управления реакциями.Например, реакцию получения аммиака N2 + ЗН2 → (t°, р, Fe) → 2NH3 на протяжениицелого столетия, с 1813 по 1913 г., химики не могли осуществить в законченном виде, таккак методы управления ее протеканием не были известны.
Реакция стала осуществимойтолько после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физикохимиками Я. X. Вант-Гоффом (1852-1911) и А. Л. Ле Шателье (1850—1936). Былоустановлено, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора присдвиге равновесия вправо за счет высоких давлений.Приведённый пример является иллюстрацией общего принципа: если на систему,находящуюся в равновесии, внешняя среда окажет какое-либо воздействие, то равновесиесместится в таком направлении, что эффект воздействия уменьшится (принцип ЛеШателье) При добавлении в систему одного из веществ, участвующих в реакции,равновесие смещается в сторону расходования этого вещества.
При повышениитемпературы равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, и температурауменьшается. При увеличении общего давления равновесие смещается в сторонуменьшего суммарного числа молей газообразных веществ.Кинетика химических реакций. До сих пор речь шла о химическом равновесии; теперьобсудим, как протекает реакция и какова её скорость.Отдельные молекулы могут вступать в реакцию друг с другом при столкновении, но невсе столкновения приводят к реакции. Для простоты будем говорить о реакции, когдаодин атом от молекулы А переходит к молекуле В.UU0UAUbxРис.
5.5. Изменение энергии атома при переходе от молекула А к молекулу ВЭнергия ядра атома при химических реакциях не меняется, изменяется лишь энергиявзаимодействия атома со всеми другими атомами. Последняя характеризуетсякоординатами всех атомов взаимодствующих молекул.
Процесс перехода атома от молекулы А к молекуле В описывается квантово- механическими закономерностями. Условнозависимость энергии атома, переходящего от А к В, можно изобразить в виде кривой (рис.5.5). В качестве абсциссы указана "координата реакции" х, хотя надо бы говорить оповерхнос т и энергии в многомерном пространстве, число измерений пространстваопределяется числом атомов в молекулах-реагентах. Для нас важно, что зависимостьэнергии атома от координаты имеет два локальных минимума (и максимум между ними).Ордината точки А — энсргия атома в молекуле А. Состояние в точке А устойчиво поотношению к бесконечно малым внешним воздействиям; в противном случае,существование вещества А было бы вообще невозможно.
Ордината точки В — энергияатома в молекуле В. Состояние в точке В тоже устойчиво в малом. Чтобы реакцияпроизошла, т.е. чтобы осуществился переход атома от молекулы А к молекуле В, нужнопри столкновении молекул передать атому энергию, большую, чем Uо – UА- Говорят, атомдолжен преодолевать потенциальный барьер. Энергию Uo – UА обычно относят к одномумолю вещества, умножая эту величину на число Авогадро: (U0 – UА)NА = E. Энергию Еназывают энергией активации.В кинетической теории газов установлено, что число молекул, способных вступить вреакцию, а значит и скорость реакции, пропорциональны ехр(– E/RT). Этот множительуказывает долю столкновений, при которых может произойти реакция, от общего числавсех столкновений.После совершения реакции энергия атома равна UB.
Величина (UA – UВ)NА — теплотареакции из расчета на один моль вещества. На рис. 5.5 переход от А к В —экзотермическая реакция. Когда выделяется достаточно много тепла, молекулы будутобладать большей кинетической энергией, чем до реакции. Возможна обратная реакция,когда атом преодолевает потенциальный барьер U0 – UВ, более высокий, чем в прямойреакции; в обратной реакции тепло будет поглощаться, причем в том же количестве, вкотором оно выделилось в прямой реакции. Для скорости химической реакции справедливзакон Аррениуса:k = А ехр(– E/RT\Насколько сильно зависит скорость реакции от температуры, можно видеть на примерерасчёта периода полураспада (t ½ ) йодистого водорода в реакции: HJ+HJ → H2+J2 .Т, °С1005001000t 1/2,c7,2810 1424,80,04При 100 °С реакция не идет (7,2810 14 23 млн лет), а при 1000 °С она имеет взрывнойхарактер.Химические реакции протекают обычно в несколько стадий, они имеют сложныймеханизм, состоящий из отдельных простых элементарных процессов — промежуточныхступеней реакции, которые очень часто трудно установить.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
