3. Механізми хімічних реакцій

Під механізмом реакції розуміють детальний опис шляху, що пролягає від реактантів до продуктів реакції, включаючи характеристику проміжного стану.

За механізмом реакції поділяють на молекулярні, йонні та радикальні. Він визначається природою частинок (атомів, молекул, йонів, радикалів), що беруть участь в елементарному акті хімічної взаємодії.

Елементарним актом хімічної реакції називають процес, у результаті якого утворюються нові продукти реакції або проміжні сполуки. У цьому процесі, який триває 10^‒12 ‒10^‒13 с, відбувається зміна електронної густини атомів, розривання одних хімічних зв’язків і утворення інших. Кожний елементарний акт здійснюється через певний активований комплекс.

Молекулярні реакції відбуваються у гомогенній системі безпосередньо між молекулами. Усі вони відбуваються через стадію утворення проміжних комплексів. Важливим чинником є просторове розміщення атомів у перехідному стані. Е_а молекулярних реакцій є досить великою (250-450 кДж/моль) і тому вони відбуваються повільно.

В іонних реакціях беруть участь катіони або аніони. Реакції між ними переважно відбуваються в розчинах, характеризуються малою величиною Е_а і тому відбуваються дуже швидко. Розрив хімічного зв’язку відбувається таким чином, що електронна пара залишилась біля більш електронегативного атома. Такий процес називають гетеролітичним і схематично зображують так:

А:В → А: + В⁺.

У живих системах мають місце як гомолітичні, так і гетеролітичні процеси (більше двох третин метаболічних перетворень).

Радикальні реакції. При вивченні ланцюгових реакцій відзначалось, що активними частинками цих процесів є вільні атоми або радикали.

За участю радикалів відбуваються реакції біохімічних процесів ‒ дихання і фотосинтез.

В основі дихання лежать окисно-відновні реакції, що відбуваються за участю кисню та субстратів окиснення, зокрема пірувату ‒ аніона піровиноградної кислоти Н₃С‒С ‒ СОО^‒,

О

який є проміжним продуктом розпаду білків, вуглеводів, амінокислот та гліцерину.

Проте в реакціях клітинного дихання можливе утворення надмірної кількості вільних радикалів, які згубно діють на живі клітини. Щоб запобігти цьому і не допустити порушення функцій клітинних мембран, у процес дихання автоматично включаються природні антиокси-данти (вітаміни групи Е, аскорбінова кислота, токоферол, селен), які, взаємодіючи з вільними радикалами, дезактивують їх. У разі потреби призначають лікарські препарати, які зв’язують вільні радикали і нормалізують процес дихання клітин.

5. Фотохімічні реакції. Процес фотосинтезу

Хімічні реакції, які відбуваються під дією видимого або УФ світла, називаються фотохі-мічними. В основі цих реакцій лежить явище вбирання атомами або молекулами кванта світлової енергії hν, що призводить до утворення реакційноздатних частинок. Ці проміжні продукти первинної фотохімічної реакції швидко вступають у вторинні реакції (переважно ланцюгові), внаслідок яких утворюються кінцеві продукти взаємодії. Вторинні реакції вже не потребують освітлення і тому їх називають темновими.

У 1904 р. Я. Вант-Гофф установив, що між швидкістю фотохімічних реакцій і кількістю поглинутої світлової енергії існує залежність: кількість речовини, що хімічно змінюється у фотохімічному процесі, пропорційна кількості поглинутої світлової енергії.

Кількісною характеристикою фотохімічних реакцій є величина квантового виходу реакції ‒  , яку виражають відношенням числа молекул n_реаг, що прореагували, до числа поглинутих квантів світла n_заг:  = n_реаг/n_hν.

Наприклад, у ланцюговій реакції водню з хлором квантовий вихід становить 10⁵, тобто кожний квант світлової енергії викликає появу 100 тис. молекул гідроген хлориду HCl.

Фотохімічні процеси досить поширені в природі. Ще у 1887 р. російський біолог К. Тимірязєв, вивчаючи реакцію фотосинтезу вуглеводів з вуглекислого газу і води довів, що за відсутності хлорофілу ця реакція не відбувається, тому що вуглекислий газ і вода безпосередньо не можуть вбирати світлову енергію. Її вбирає хлорофіл і передає реактантам, виконуючи функцію сенсибілізатора, тому такі реакції називають фотосенсибілізованими.

Внаслідок фотосинтезу утворюється величезна кількість органічних речовин і вільного кисню, необхідних для життєдіяльності людини і тварин на Землі. Щорічно у цьому процесі утворюється більше 100 млрд тон органічних речовин, які акумулюють до 4∙10¹⁸ кДж енергії.

Крім фотосинтезу, відомі й інші біохімічні процеси, зумовлені дією на організм світла і пов’язані з його впливом на активність ферментів. До них належить зір, в основі якого лежить реакція фотоізомеризації хімічної сполуки ретиналю.