Niklas Dahrén

Kemiska reaktioner och reaktionshastigheter

Kemiska reaktioner

ü Närtvåpartiklar(atomer,molekyler,joneretc.)kolliderarmedvarandrakaniblandenkemiskreaktionske.Dekolliderandereaktanterna omvandlastillenellerfleraprodukter.Reaktanterna AochBkant.ex.bildaprodukternaCochDenligtföljandereaktion:

A+B à C+D

ü Vätgas(H2)krockarmedsyrgas(O2)såattvattenbildasenligtföljandereaktion:

2H2 +O2 à 2H2O+Energi

ü Gamlabindningarbryts:Ikemiskareaktionerbrytsideflestafallgamlabindningar.Iexempletmedvätgasochsyrgasbrytsdegamlabindningarnamellandebådaväteatomernaivätemolekylenochmellandebådasyreatomerna isyremolekylen.

ü Nyabindningarskapas:Ikemiskareaktionerskapasideflestafallnyabindningar.Iexempletmedvätgasochsyrgasskapasnyabindningarmellanväteatomerochsyreatomersåattvattenmolekylerbildas.

Aktiverat komplex (övergångstillstånd)

ü Aktiveratkomplexbildas:Närreaktanternakrockarmedvarandrabildasförstettaktiveratkomplex(ettövergångstillståndmedhögenergi)somsedansnabbtgerupphovtilldefärdigaprodukterna.Idetaktiveradekomplexetbrytsgamlabindningarochnyaskapas.Detaktiveradekomplexetexisterarunderenmycketkorttid(ca10-12 sekunder).

ReaktantA ReaktantBAktiveratkomplex/övergångstillstånd

(transitionstate)

+ +ProduktC ProduktD

I det aktiverade komplexet bryts gamla bindningar och nya skapas

ü Uppkomstenavdetaktiveradekomplexet:Ietylbromid ärBr merelektronegativtjämförtmedCvilketinnebärattdegemensammabindningselektronernaförflyttasmotBr.Detgörattkoletblirpartielltpositivtladdat.NärOH-

krockarmedetylbromiden såuppstårenattraktionmellansyreatomeniOH- ochdetpositivakolet.Syreatomenharjufriaelektronersomattraherasavdenpositivaladdningen.EnbindningbörjarnuskapasmellanOH- ochC.SamtidigtinnebärdetattdetblirförmycketelektronerruntkolatomenvilketledertillattbindningenmellanCochBr börjarbrytas.Viharnufåttdetaktiveradekomplexet.

ü Detaktiveradekomplexetharalltidhögenergi,idethärexempletp.g.a.mycketelektronersomrepellerarvarandra.Förattfåtilldetaktiveradekomplexetkrävsdetdärförattkrockenskermedtillräcklighögfartochiexakträttvinkel(tillräckligmycketaktiveringsenergi).Detfinnsnämligenbaraenmöjlig”öppning”därOH- kankommainochkrockamedkolatomen.TillslutstötsBr bortfullständigtochlämnarmolekylensomenbromidjon,Br-.

Vad krävs för att en reaktion ska ske?

ü Reaktanternamåstekrockamedvarandra:Allareaktionerskergenomattreaktanterkrockarmedvarandra.Detärförstdåsomdetaktiveradekomplexetkanbildasochgamlabindningarkanbrytasochnyabindningarkanbildas.

ü Reaktanternamåstehatillräcklighögrörelseenergi:Reaktanternamåstehasåpasshögrörelseenergi(hastighet)attdetillsammanskanbildadetaktiveradekomplexet.Omdeharförlågrörelseenergikommerdebarastudsamotvarandraochingenreaktionkommerkunnaske.

ü Reaktanternamåstekrockamedvarandrairättvinkel:Detspelaringenrollomreaktanternahartillräcklighöghastighetomkrockenskerurfelvinkel.Förattenvissreaktionskakunnaskemåstenämligendetvåpartiklarnakolliderapåettvisstsätt,demåsteharättvinkeliförhållandetillvarandra.Deflestakollisionerkommerdärförintekunnaledatillnågonreaktioneftersomdekrockarpåfelsätt.

Krocken måste ske ur rätt vinkel (rätt orientering)

A

Lyckadreaktion:

B

A B+A

A

BB

A B

A B

A A B B+ A A B B A A B B

Misslyckadreaktion:

+

Aktiveringsenergi

ü Denenergisombehövsföratthjälpaigångenreaktionkallasför”aktiveringsenergi”.

ü Allareaktionerkrävernågonformavaktiveringsenergi,detgällerbådeendotermaochexotermareaktioner.

ü Aktiveringsenergin(oftavärme)görsåattmolekylernakrockarmedhögrehastighetoch/ellerattbindningarnabörjarvibrerakraftigtvilketfårdegamlabindningarnaattbrytaslättare.Närnyastarkarebindningarskapasfrisättsenstormängdenergitillomgivningen.

ü Aktiveringsenerginstartarigångdeförstareaktionernamensedanäroftaövrigareaktioner”självgående”eftersomvarjereaktionfrisättervärmesomkanfortsättadrivaövrigareaktioner.Detfungerarungefärsomenkedjereaktion.

Exoterma reaktioner kräver aktiveringsenergi för att starta men frisätter sedan ännu mer energi

Reaktanter

Produkter

Entalpi

2H2 +O2

ü Aktiveringsenergin(oftavärme)görsåattmolekylernakrockarmedhögrehastighetoch/ellerattbindningarnabörjarvibrerakraftigtvilketfårdegamlabindningarnaattbrytaslättare.Närnyastarkarebindningarskapasfrisättsenstormängdenergitillomgivningen.

Närdenyabindningarnaskapasfrisättsmycketenergitillomgivningen.Ienexotermreaktionfrisättsmerenerginärdenyabindningarnaskapasänvadsombehövdesförattbrytade

gamlabindningarna.

2H2ODetkrävsaktiveringsenergifrånomgivningenförattnådetaktiveradekomplexetochbryta

degamlabindningarnaireaktanterna.

Energi

Tid

Aktiveratkomplex

Endoterma reaktioner kräver hög aktiveringsenergi och frisätter sedan en mindre mängd energi

Reaktanter

Produkter

Entalpi

2H2 +O2

ü Aktiveringsenergin(oftavärme)görsåattmolekylernakrockarmedhögrehastighetoch/ellerattbindningarnabörjarvibrerakraftigtvilketfårdegamlabindningarnaattbrytaslättare.Närnyastarkarebindningarskapasfrisättsenstormängdvärmeenergitillomgivningen.

2H2O

Ienendotermreaktionkrävsdetmycketaktiveringsenergi

frånomgivningenförattnådetaktiveradekomplexetochbryta

degamlabindningarnaireaktanterna.

Tid

EnergiNärdenyabindningarnaskapasfrisättsenergitill

omgivningen.Ienendotermreaktionfrisättsmindreenerginärdenyabindningarnaskapasänvadsombehövdesförattbrytadegamlabindningarna.

Aktiveratkomplex

Katalysatorer sänker aktiveringsenergin och påskyndar reaktioner

Reaktanter

Produkter

Entalpi

2H2 +O2

ü Katalysatorerbinderreaktanterna,låterdessakommaikontaktmedvarandrapåettoptimaltsätt(rättvinkeletc.)ochförsvagarpåolikasättdegamlabindningarna.Detbehövsdärförintelikamycketaktiveringsenergiförattuppnådetaktiveradekomplexetochfåreaktionenattske.

2H2O

Aktiveringsenergimed katalysator

Aktiveringsenergiutan katalysator

Tid

Olika katalysatorer

ü Enzymer:Ivårakropparfinnsdetenzymer(entypavproteiner)somfungerarsomkatalysatorer.

ü Metallytor:Katalysatornienbilbeståravenmetallytasombinderfarligaämnenfrånavgaserna.Degamlabindningarnabrytssåattnyaofarligaämnenkanbildas.

ü Starkasyror:Syroravgerprotonervilketkanstartaolikakemiskareaktioner.Starkasyroranvändssomkatalysatorervidt.ex.tillverkningavestrar(doft- ochluktämnen).

Vad menas med reaktionshastighet?

ü ReaktanternaAochBkanbildaprodukternaCochDenligtföljandereaktion:

A+B→C+Dü Högreaktionshastighet:Enhögreaktionshastighetinnebärattmångareaktionerskerpertidsenhetvilket

resulterariattmångaprodukterbildaspertidsenhet.

ü Lågreaktionshastighet:Enlågreaktionshastighetinnebärattfåreaktionerskerpertidsenhetvilketresulterariattfåprodukterbildaspertidsenhet.

ü Reaktionshastighetenkanbeskrivas/undersökaspå2olikasätt:

o Hurmycketnågonavprodukternaskoncentrationökarpertidsenhet.o Hurmycketnågonavreaktanternaskoncentrationminskarpertidsenhet.

Faktorer som påverkar reaktionshastighetenü Ämnenaskemiskaegenskaper:Beroendepåvilkaämnendetärsåkandehaolikalättattreageramedvarandra.

Vissaämnenärt.ex.reaktivareänandraämnen.Omreaktanterna harsvårtattreageramedvarandrasåkrävsdetstoraktiveringsenergi.Juhögreaktiveringsenergidestolångsammarereaktionshastighet.

ü Temperatur:Högretemperaturökarreaktanternasrörelse- ochvibrationsenergivilketgörattdetaktiveradekomplexetlättare/snabbarenås.Därmedblirreaktionshastighetenhögre.

ü Koncentrationenavreaktanterna:Omviharhögrekoncentrationavreaktanternasåkommerreaktionshastighetenattökaeftersomantaletkrockarmellanreaktanterna ökarpertidsenhet.

ü Gradenavfinfördelningavfastareaktanter:Omreaktanternaärifastformmenfinfördeladesåkommerreaktionengåsnabbarejämförtmedomreaktanternaejärfinfördelade.Dentotalaytanblirstörrevilketmöjliggörflerreaktionermellanreaktanterna.

ü Närvaroavenkatalysator:Katalysatorersänkerbehovetavhögaktiveringsenergigenomattdelsbindareaktanterna ochpåolikasättförsvagadegamlabindningarnaochdelshållareaktanterna ienvisspositionsåattdelättarekanreageramedvarandra.Reaktanterna nårdetaktiveradekomplexetlättareochreaktionshastighetökar.

Varför bidrar en högre temperatur till ökad reaktionshastighet?

1. Kraftigarekollisionermellandemolekylersomskareageramedvarandra(reaktanterna):Omvitillförmervärmeenergi(höjertemperaturen)såkommerflerreaktanterfåmycketrörelseenergi,vilketinnebärattflerkrockarpertidsenhetkommerresulteraiattenreaktionsker(flerkrockarledertillattdetaktiveradekomplexetkannås).Vidlägretemperaturharfärrereaktantertillräckligthögrörelseenergiförattenreaktionskakunnaske.

2. Degamlabindningarnaireaktanterna börjarvibreraochdärmedförsvagas:Omvitillförmervärmeenergi(höjertemperaturen)såkommerdegamlabindningarnabörjavibrerakraftigareochdetledertillattdelättarebryts.

3. Flerkollisionermellanreaktanterna pertidsenhet:Omvitillförmervärmeenergi(höjertemperaturen)såkommerflerreaktanterhahögrehastighetvilketinnebärattdeocksåkommerkrockamedvarandraflergångerpertidsenhet.Flerkollisionerpertidsenhetinnebärocksåattantaletkorrektakollisioner(rättvinkel)pertidsenhetkommerattöka.

Ökad temperatur kan höja reaktionshastigheten framförallt på följande sätt:

Ökadtemperatur

Högrefarthosreaktanterna

Flerkollisionerpertidsenhetochkraftigarekollisioner

Merprodukterbildaspertidsenhet

Högre grad av finfördelning av reaktanterna ökar reaktionshastigheten

Låggradavfinfördelning: Höggradavfinfördelning:

Litentotalytamotomgivningeninnebärattfåavdeblåreaktanternaharmöjlighetattreageramedderödareaktanterna.Deflestablåreaktanterbefinnersignämligenicentrumavdenblåkuben.

Stortotalytamotomgivningeninnebärattmångaavdeblåreaktanternaharmöjlighetattreageramedderödareaktanterna.Mångaavdeblåreaktanternabefinnersignämligenvidytanavnågonavdeblåkuberna.

=rödreaktant,enskildagasmolekyler(g)

=blåreaktant,fastämnebeståendeavmångapartiklarsombindertillvarandra(s)

Enzymer är biologiska katalysatorerü Enzymerfungerarsomkatalysatorervilketinnebärattdekanpåskynda(ochoftamöjliggöra)kemiskareaktioner

utanattsjälvaförbrukas.Deflestaenzymerärproteiner,menundantagfinns.T.ex.kanrRNA katalyserakemiskareaktioneriribosomen.Deflestaavcellensreaktionerärenzymatiska.Utanhjälpavenzymerskulledemetaboliskareaktionernaskealltförlångsamt.

+

+

Enzymerkanbådebindasammansmåmolekylermedvarandrasåattdetbildasstörremolekylerochspjälkastörremolekylersåattdetbildasmindremolekyler.

Enzym

Enzym

Hur fungerar enzymer?ü Enzymetbinderettellerflerasubstrat(beroendepåvilkenfunktionenzymethar)isittaktivasäte(aktivt

centrum).Detbildasdåettenzym-/substratkomplexdärgamlabindningarförsvagas/brytsmedannyabindningarskapas.Enzymetgörsåattenellerfleraprodukterbildas,vihardåfåttettenzym-/produktkomplex.Produkternafrisättssedanfrånenzymet.

Bildkälla:AvInduced_fit_diagram.svg:Created byTimVickers,vectorized byFvasconcellosderivative work:Zaijaj (talk)-Induced_fit_diagram.svg,PublicDomain,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12291670

Reaktionenpåbildenärenhydrolysreaktionvilketinnebärattbindningenmellanmonomererna brytsmedhjälpavenvattenmolekyl(synsejpåbilden).EnOH-grupp(frånvattenmolekylen)kopplaspådenenamonomeren medanettväte(frånvattenmolekylen)kopplaspådenandra.Nyabindningarskapasalltsåävenidennareaktionävenomdetinteserutsåpåbilden!

Viktiga begrepp

ü Substrat:Närviprataromenzymersåkallarviämnetellerämnenasomskaomvandlastillprodukt/produkterför”substrat”(iställetförreaktanter).

ü Produkt:Detsombildasviddenenzymatiskareaktionenkallasförprodukt(ellerprodukter).

ü Aktivtsäte(aktivyta,aktivtcentrum):Enzymerkatalyserarkemiskareaktionergenomattdebindersubstratet/substratenienslags”ficka”somkallasför”aktivtsäte”(engelska;”activesite”).Substratet/substratenpassarinidetaktivasätetochhållsdärfastavenzymetienperfektposition.Enzymetkannuförsvaga/brytagamlabindningarochmöjliggöraattnyabindningarskapasgenomattsubstratet/substratenhållsienperfektposition(iblandbrytsgamlabindningarutanattdetskapasnågranya).

ü Bredochsmalsubstratspecificitet:Ettenzymkanhabredsubstratspecificitetvilketinnebärattdetkanbindafleraolikasubstrat,ellersmalsubstratspecificitetvilketinnebärattenzymetendastbinderettendaellerettfatalsubstrat.

Enzymer sänker reaktioners aktiveringsenergi

ü Enzymetbindersubstratet/substratenpåettperfektsättochförsvagardegamlabindningarna(påolikasätt)vilketunderlättarreaktionen.Tackvaredettasåbehövsdetintenågonhögtemperaturförattreaktionenskakunnaske(degamlabindningarnakommerkunnabrytasändå).

Vad bestämmer hastigheten av enzym-katalyserade reaktioner?

ü Temperaturen:Enzymerfungerarbästvidenvisstemperatur(har”temperatur-optima”).Enhögretemperaturökarantaletkollisionermellansubstratenochenzymerna(fler”enzym-substratkomplex”bildaspertidsenhet).Enhögretemperaturhjälperocksåenzymetattsnabbareförsvagadegamlabindningarnasåattnyakanskapas.Temperaturenfårdockintevaraförhög(individuelltförolikaenzymer)eftersomförhögtemperaturdenaturerarenzymet.Omenzymetförlorarsintredimensionellaformsåkandenintelängrebindasubstratet/substraten.

ü pH-värdet:EnzymerharpH-optima.FörlågtellerhögtpH-värdedenaturerarenzymet.

ü Substrat-ochenzymkoncentrationen:Jumersubstrat(S)destosnabbarereaktion(tillenvissgrans;substratmattnad)eftersomdetkanbildasfler”enzym-substratkomplex”pertidsenhet.Jumerenzym(E)destosnabbarereaktioneftersomdetkanbildasfler”enzym-substratkomplex”pertidsenhet.

ü Gradenavfinfördelning:Idereaktionersomskericellernaäralltidsubstratenochenzymernalöstaivatten(alltsåfinfördelade)menvidreaktionersomskerutanförcellerna(t.ex.ienbägareilabbet)såkanskeviharsubstratenoch/ellerenzymernaifastform.Omvifinfördelardessasåkommerreaktionengåsnabbarejämförtmedomviintefinfördelardessa.Dentotalaytanblirstörrevilketmöjliggörflerreaktionermellansubstratochenzymer.

Kofaktorer (enzymernas ”kompismolekyler”)ü Mångaenzymerkaninteutförasinfunktion(katalysera

sinspecifikareaktion)omdeinteharhjälpaven”kompismolekyl”(hjälparmolekyl).Dessakallasförkofaktorerochbindertilldetaktivasätetpåolikasätt.Kofaktorerärinteproteiner.Kofaktorernakandelasiniprostetiska grupperochkoenzymer.

ü Prostetiska grupper:Dessabeståroftaavmetalljoner.Metalljonerna binderoftahårttilldetaktivasätetochsitterkvardärhelatiden.Hemgruppenihemoglobin(innehållerbl.a.enjärnjon)ärettexempelpåenprostetisk grupp.

ü Koenzymer:Dessabeståroftaavorganiskaföreningarsomharbildatsfrånvitaminer.Dessabinderlösttilldetaktivasätetochsläpperoftaefterattreaktionenharskett.NAD+ochFAD(vätebärareicellandningen)ärexempelpåkoenzymer.

Kofaktorer(kompismolekyler)

Prostetiska grupper(sitterhårt,t.ex.metalljoner,

hemgruppenetc.

Koenzymer(sitterlöst,t.ex.FAD,NAD+,

FMNetc.)

Koenzymernas funktion

Apoenzym (inaktivt)+Koenzym Holoenzym (aktivt)Enzym-/substratkomplex

Andra ämnen kan påverka enzymaktivitetenü ”Inhibitorer”ärmolekylersomminskarenzymaktivitetgenomattbindatillenzymetpåettsådantsättatt

substratet/substratenintekanbindatilldetaktivasätet.Mångaläkemedelochgifterutövarsinfunktiongenomattfungerasomenzym-inhibitorer.

Bildkälla:ByMcy jerry attheEnglishlanguage Wikipedia,CCBY-SA3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7701646

Bildkälla:ByComp_inhib.svg:*SVGversion:Srhat (talk ·contribs)PNGversion:Jerry Crimson Mannaten.wikipediaLater version(s)were uploaded byIMeowbot,MagnusManske aten.wikipedia.derivative work:Mcstrother (talk)- Comp_inhib.svg,CCBY-SA3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11917069

Enzym-inhibitiongenomattämnetbindertilldetaktivasätet:

Enzym-inhibitiongenomattämnetbindertillenannandelavenzymetmenändåpåverkardetaktivasätet:

Penicillin är en enzym-inhibitor

ü Cellväggenhosbakterieräruppbyggtavfleramolekyllager.Deolikalagrensitterihopmedvarandramedhjälpavsidokedjor.Ettspecielltenzymsätterfastsidokedjornaivarandrasåattlagrenhållspåplatsochcellväggenblirstabil.

ü Penicillinbindertilldet”aktivasätet”ienzymet.Detledertillattenzymetintekanbindasinasubstratochenzymetkandärmedintefästasidokedjornatillvarandra.Dettalederisinturtillattdeolikalagrenintekanfästatillvarandra,vilketinnebärattcellväggengårsönder.

ü Utancellväggsomstabiliseraruppbakteriecellenkommercellensprickap.g.a.dethögaosmotiskatrycketinneicellen.

SegärnaflerfilmeravNiklasDahrén:

http://www.youtube.com/Kemilektionerhttp://www.youtube.com/Medicinlektioner