Вода как каталитическая среда
Ключевым моментом научного раскрытия жизнеобразующей функции воды является изучение ее роли в химических и более сложных биохимических процессах, составляющих основу жизни. В связи с этим возникает важная и ответственная задача изучения физико-химического механизма, определяющего ранее неизвестное фундаментальное качество воды — ее каталитические свойства. Такой подход впервые научно объясняет разнообразные чудесные влияния разных вод на жизненные процессы. Но что такое каталитические свойства воды, и почему они до сих пор не привлекали пристального внимания исследователей? Традиционно вода считалась всего лишь пассивной средой (чистой либо чем-то загрязненной), в которой варится «бульон жизни». Известно, что вода окружает макромолекулы и биологические ткани и формирует их пространственную структуру, за счет своей высокой полярности она вызывает диссоциацию на ионы растворенных в ней солей, вода растворяет многие органические соединения. В отношении же протекающих в ней биохимических реакций вода продолжает рассматриваться в качестве обычного растворителя, подобно многим другим органическим растворителям, которые в определенных случаях могут включаться в химические реакции как простые реагенты, но не как катализаторы, ускоряющие биохимические процессы.
Мы выдвигаем новое положение, согласно которому вода — активный участник, катализатор (ускоритель) биохимических процессов, причем каталитическая функция воды имеет действительно фундаментальный характер и принципиальным образом раскрывает роль воды в формировании биогеосферы нашей планеты на всех этапах ее развития. Явление катализа в химии широко известно, оно заключается в способности определенных соединений — катализаторов (ферментов — в живых организмах) — резко снижать энергетические барьеры и увеличивать скорости химических и биохимических реакций. Природой созданы удивительные соединения — ферменты, которые обеспечивают гигантское ускорение биохимических реакций — до 10 11 раз! Можно с уверенностью говорить о том, что не будь ферментов — не было бы и жизни в современной высокоорганизованной форме. Однако явление катализа оставалось малоизученным на уровне фундаментальных физико-химических процессов.
Катализ в водных системах является, как мы уже отмечали, частным случаем разработанной нами новой общей теории катализа. Эта теория, объясняющая механизмы каталитических реакций, в том числе и ферментативных биохимических реакций в воде, впервые рассматривает последовательный перенос двух элементарных частиц — электрона и протона [1].
где , — константы скорости реакции, — константа диссоциации кислоты, , —константы; индексы и относятся к кислоте, и — к основанию.
Линейные зависимости (3.2а) и (3.26) получены для ряда систем и большого числа кислот и оснований, но эти зависимости не являются универсальными. В работах Р.П.Белла [5, 6], по-видимому, впервые было выдвинуто положение, согласно которому в основе кислотно-основного катализа лежит перенос протона, причем широко распространено мнение, что «разрыв ковалентной связи происходит намного легче, если одна из участвующих в реакции молекул находится в протонированном состоянии» [2]. В рамках общего кислотно-основного катализа трактуется и биологический ферментативный катализ, чрезвычайно высокая эффективность которого объясняется большой концентрацией кислот и оснований в активном центре фермента и правильной ориентацией реагирующих групп [2].
Принципиально иной подход к механизму кислотно-основного катализа развит в наших работах [1, 7—11], где показано, что в основе каталитической, как и всякой другой химической реакции, лежит перенос (возбуждение) электрона, а перенос протона или водородная связь облегчают, катализируют перенос электрона. Мы полагаем, что перенос протона, или протонирование молекулы, сам по себе не вызывает разрыва химической связи, а действительный разрыв связи наступает только в результате последующего переноса (возбуждения) электрона, приводящего к образованию химически активных радикальных частиц. Перенос протона (или водородная связь) и перенос электрона в электронновозбужденном состоянии совместно определяют фундаментальный электронно-протонный эффект, суть которого заключается в огромном снижении энергии электронновозбужденных состояний молекулярных комплексов (ассоциатов) вплоть до термических значений в результате взаимосвязи движений (переносов) электрона и протона.
Подробнее об этом читайте в моих книгах, в частности, в книге «Вода — родник жизни».
Вода как катализатор
Вода взаимодействует со многими металлами. Со щелочными и щелочноземельными металлами эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду при повышенной температуре, например, Мg и Zn – выше 100 0 С; Fe – выше 600 0 С.
При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания .
Вода может служить катализатором , например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только в присутствии следов воды.
Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH3.
Универсальный растворитель
Роль воды как главного и универсального растворителя определяется, прежде всего, полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы , притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих трудно-растворимых веществ: капля камень точит.
Еловских Роман 8 А класс 2006 год Лицей 590 Санкт-Петербург eHTeP1k@yandex.ru
Твердофазная реакция
Большинство реакций, применяемых в школьной и лабораторной практике, протекают в растворах. В этой связи интересным будет рассмотрение одной из самых красивых твердофазных реакций. В фарфоровую ступку насыпают по щепотке твердых солей — нитрата кобальта и роданида аммония (NH4NCS). При растирании смеси пестиком появляется красивая фиолетовая окраска, обусловленная образованием тиоцианата кобальта. Данную реакцию можно проводить и в растворе и использовать для открытия ионов Co(II).
Вода — катализатор
Любому начинающему химику известна выдающаяся роль воды в химии. Вода — самый простой, доступный и универсальный растворитель. Однако мало кто знает о том, что вода может выступать и в качестве катализатора твердофазной реакции. Это реакция алюминия с иодом.
Для проведения опыта в фарфоровый тигель насыпают по щепотке тонко измельченных порошков алюминия и иода. Вся посуда и инструменты должны быть сухими! Смесь осторожно перемешивают подходящими шпателем или стеклянной палочкой. Затем с добавляют в реакционную смесь каплю воды с помощью пипетки. Наблюдается бурная реакция, сопровождаемая выделением паров избытка иода.
Примечание: порошок алюминия должен быть очень тонким, почти пылью, в противном случае реакционная смесь может «плюнуть» прямо Вам в лицо раскаленной алюминиевой крошкой. В любом случае, опыт лучше проводить в очках.
Вода как катализатор
Любому начинающему химику известна выдающаяся роль воды в химии. Вода — самый простой, доступный и универсальный растворитель. Однако мало кто знает о том, что вода может выступать и в качестве катализатора твердофазной реакции. Это реакция алюминия с иодом.
Для проведения опыта в фарфоровый тигель насыпают по щепотке тонко измельченных порошков алюминия и иода. Вся посуда и инструменты должны быть сухими! Смесь осторожно перемешивают подходящими шпателем или стеклянной палочкой. Затем с добавляют в реакционную смесь каплю воды с помощью пипетки. Наблюдается бурная реакция, сопровождаемая выделением паров ибытка иода.
Примечание: порошок алюминия должен быть очень тонким, почти пылью, в противном случае реакционная смесь может «плюнуть» прямо Вам в лицо раскаленной алюминиевой крошкой. В любом случае, опыт лучше проводить в очках.