Глава II Химическая кинетика и катализ Биомедицинская значимость темы

Химическая кинетика – раздел физической химии, представляющий собой учение о скоростях и механизмах протекания химических реакций.

От скорости химической реакции зависит течение тех или иных биологических процессов, эффективность действия на организм различных лекарственных препаратов. Законы химической кинетики используют для объяснения нормального и злокачественного роста тканей, развития лучевого поражения, кинетических критериев оценки эффективности лечения.

На базе кинетических представлений возникла новая самостоятельная область фармакологии – фармакинетика, изучающая процессы, которые характеризуют распределение введенных в организм лекарственных препаратов в период полувыведения их из организма. Применение данных кинетических исследований позволяет будущему врачу решить задачу оптимального назначения лекарства, т.е. выбор дозы, пути и периодичности введения. Изменение концентрации лекарственных веществ в организме описывается обычными для химической кинетики уравнениями. Эти же кинетические закономерности находят широкое применение в токсикологии.

В живых организмах химические процессы осуществляются при помощи биологических катализаторов – ферментов (энзимов). Уникальные свойства ферментных катализаторов – поразительная специфичность и огромная удельная активность – обусловливается сочетанием сравнительно несложных закономерностей физической и физико–органической химии. Поэтому ясно, что путь к свободному овладению фундаментальными представлениями науки о ферментах как научным инструментом практической энзимологии лежит через постижение основ классического катализа.

Данная тема является теоретической базой для отдельных разделов биохимии, биофизики, фармакологии, фармакинетики, токсикологии и некоторых клинических дисциплин: терапии, физиотерапии и др.

Основные понятия химической кинетики

Химическая реакция. Химической реакцией можно считать любое изменение вещества, при котором образуются или разрываются химические связи между атомами.

Вопрос о том, почему происходят химические реакции, упрощается, если рассматривать отдельно два аспекта этой проблемы: 1) механизм, по которому происходит превращение, и 2) глубина превращения реакции.

Механизм химической реакции. Химические реакции, как правило, не происходят путем непосредственного взаимодействия исходных молекул с прямым переходом их в молекулы продуктов реакции. В большинстве случаев реакция протекает в несколько стадий. Рассмотрим в качестве иллюстрации окисление ионов двухвалентного железа в кислом растворе молекулярным кислородом. Стехиометрическое уравнение этой реакции записывается в виде:

4Fe²⁺ + 4H⁺ + O₂  4Fe³⁺ + 2H₂O

Однако этот процесс не может идти путем прямого взаимодействия четырех ионов Fe²⁺, четырех ионов Н⁺ и молекулы О₂. Во–первых, вообще соударение одновременно 9 частиц является крайне маловероятным событием. Во–вторых, восемь из этих частиц несут на себе положительные заряды и поэтому должны отталкиваться. Согласно современным представлением этот процесс идет через ряд стадий:

Fe²⁺ + O₂  Fe³⁺ +

+ H⁺  HO₂

Fe²⁺ + HO₂  Fe³⁺ + H

H + H⁺  H₂O₂

H₂O₂ + Fe²⁺  Fe³⁺ + OH^– + OH

Fe²⁺ + OH Fe³⁺ + OH^–

OH^– + H⁺ H₂O

Этот сложный путь оказывается тем не менее неизмеримо более выгодным, так как ни на одном из семи этапов не требуется встречи более чем двух частиц, и не на одном из этапов не требуется соударения одноименно заряженных частиц.

Совокупность стадий, из которых складывается химическая реакция, носит название механизма химической реакции.

Каждая отдельная стадия, через которую идет реакция, называется элементарным актом реакции.