Сущность действия катализаторов заключается в том, что, во-первых, они обладают способностью активировать молекулы реагирующих веществ, и, во-вторых, взаимодействие молекул (или веществ) происходит не в один, а в несколько этапов.
При этом энергетический барьер каждой из промежуточных реакций будет ниже энергетического барьера исходной реакции. Схематично это можно представить следующим образом.
Исходную реакцию некатализируемую (рис. 37,1) между веществами А и В можно записать как
А + В → АВ (1)
Энергетический барьер этой реакции можно обозначить как F, а энергию активации — а. В случае введения в эту систему катализатора (К) (см. рис. 36,2) на первом этапе (21) произойдет взаимодействие одного из веществ с катализатором:
А + К → АК (2)
Энергетический барьер этой реакции, обозначенный как F1, и энергия активации — а1 будет меньше энергетического барьера исходной реакции (1) F1<F, a1<а и соответственно энергии активации.
На втором этапе (22) произойдет образование конечного продукта исходной реакции и катализатор выделится в неизмененном виде:
АК + В → АВ + К (3)
В этой реакции, энергетический барьер которой обозначим как F2, F2<F, а энергия активации а2<а.
Суммируя 2-ю и 3-ю реакции, получим:
А + В + К → АВ + К (4)
Таким образом, в ходе реакции с катализатором образовались те же продукты, что и в исходной реакции (1), но с энергетической точки зрения эта реакция более выгодна, так как F1 + F2<F. Особенно это заметно по энергии активации (а1 + а2<а). Следовательно, катализируемая реакция, хотя и идет в 2 этапа, но при этом требуется меньше энергии и значительно снижается энергия активации по сравнению с некатализируемой реакцией.
Катализаторы являются очень активными соединениями, и химические реакции при их участии идут очень быстро, в основном за счет снижения энергии активации. Так, если, например, скорость разложения Н2О2 без катализатора принять за единицу, то в присутствии катализатора — платиновой черни (неорганический катализатор) скорость реакции увеличивается в 2*104 раза, а энергия активации снижается соответственно с 18 ккал/моль до 12 ккал/моль. Таким образом, оказывается, что катализатор не только снижает энергетические затраты на течение реакций, но и значительно повышает их скорость.
К основным характеристикам катализа относятся следующие:
• катализаторы могут ускорять (положительный катализ) только те химические реакции, которые вообще могут идти по своим термодинамическим законам,
• катализаторы не изменяют направление хода химической реакции, а только ускоряют достижение состояния равновесия.
Отличие ферментов от других видов катализаторов
При изучении свойств ферментов было установлено, что по своему действию они являются катализаторами, в основном обеспечивающими положительный катализ. Поэтому для них характерны все особенности процесса катализа.
Наряду с этим ферменты имеют свои определенные отличия, к которым относятся "космические" скорости катализируемых ими реакций, очень сложная химическая структура, которая в ряде случаев может изменяться в ходе реакции и восстанавливаться в исходную после ее окончания, и, наконец, высокая специфичность действия.