Номер 5, страница 32 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

5. Приведите примеры влияния различных факторов на биохимические и производственные химические процессы.

Различные факторы оказывают существенное влияние как на биохимические процессы, протекающие в живых организмах, так и на химические процессы, используемые в промышленности. Ключевыми факторами являются температура, давление, концентрация веществ, наличие катализаторов (включая ферменты), pH среды, площадь поверхности реагентов и свет.

Биохимические реакции, протекающие в клетках живых организмов, чрезвычайно чувствительны к условиям среды, поскольку они катализируются специфическими белками — ферментами.

• Температура: Для каждого фермента существует оптимальная температура, при которой его активность максимальна. У большинства ферментов человека это около $37^\circ C$. Небольшое повышение температуры (например, при лихорадке) может ускорить метаболические реакции, помогая бороться с инфекцией. Однако чрезмерно высокая температура (выше $41^\circ C$) вызывает денатурацию (необратимое разрушение структуры) ферментов, что приводит к их инактивации и нарушению жизнедеятельности. Снижение температуры, наоборот, замедляет ферментативные процессы, что используется, например, при хранении продуктов в холодильнике для предотвращения их порчи.
• pH (кислотность среды): Ферменты также проявляют максимальную активность только в узком диапазоне pH. Например, фермент пепсин, расщепляющий белки в желудке, наиболее активен в сильнокислой среде (pH 1,5–2,5). В то же время фермент трипсин, работающий в тонком кишечнике, требует щелочной среды (pH около 8). Значительное отклонение pH от оптимального значения вызывает изменение структуры фермента и потерю его каталитической активности.
• Концентрация веществ: Скорость биохимической реакции зависит от концентрации как исходных веществ (субстратов), так и продуктов. Увеличение концентрации субстрата повышает скорость реакции до момента насыщения фермента. Концентрация продуктов также может влиять на скорость по принципу обратной связи: накопление продукта часто ингибирует (замедляет) фермент, катализирующий его образование, что позволяет организму регулировать метаболические пути.
• Свет: Световая энергия является пусковым фактором для важнейших биохимических процессов.
  • Фотосинтез: Растения, водоросли и некоторые бактерии используют энергию света для синтеза органических веществ из углекислого газа и воды. Реакция: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$.
  • Зрение: В сетчатке глаза квант света вызывает структурное изменение молекулы ретиналя в составе зрительного пигмента родопсина, что запускает каскад реакций, приводящий к возникновению нервного импульса.

Ответ: На биохимические процессы влияют: температура (существует оптимум, высокие значения вызывают денатурацию ферментов), pH (каждый фермент активен в своем узком диапазоне кислотности), концентрация субстратов и продуктов (регуляция скорости реакций), а также свет (ключевой фактор для фотосинтеза и зрения).

В химической промышленности управление параметрами реакции позволяет целенаправленно изменять ее скорость и направление для достижения максимального выхода целевого продукта при минимальных затратах.

• Температура: Выбор температурного режима часто является компромиссом между скоростью реакции и положением химического равновесия. Например, в производстве аммиака (процесс Габера-Боша) реакция синтеза является экзотермической: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г) + Q$. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия вправо (в сторону продукта) выгодны низкие температуры. Однако при низкой температуре скорость реакции крайне мала. Поэтому процесс ведут при повышенной температуре ($400–450^\circ C$), которая обеспечивает приемлемую скорость при всё ещё достаточно высоком равновесном выходе продукта.
• Давление: Давление является важным фактором для реакций, в которых участвуют газообразные вещества и изменяется их количество. В том же процессе синтеза аммиака реакция идет с уменьшением числа моль газов (из 4 моль реагентов образуется 2 моль продукта). Повышение давления смещает равновесие в сторону образования аммиака, поэтому процесс проводят при очень высоком давлении ($150–350$ атмосфер и выше).
• Катализаторы: Катализаторы — вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Их применение позволяет проводить процессы с высокой скоростью при более низких температурах и давлениях, что значительно снижает энергозатраты и стоимость производства.
  • В синтезе аммиака используется губчатое железо с примесями оксидов алюминия и калия.
  • В производстве серной кислоты для окисления диоксида серы в триоксид серы ($2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$) применяют катализатор на основе оксида ванадия(V) ($V_2O_5$).
• Площадь поверхности соприкосновения реагентов: Для гетерогенных реакций (между веществами в разных агрегатных состояниях) скорость напрямую зависит от площади их контакта. Поэтому в промышленности часто используют измельчение твердых реагентов или применение катализаторов в виде пористых гранул. Например, сжигание угля в виде пыли происходит гораздо быстрее и эффективнее, чем сжигание крупных кусков.

Ответ: На производственные химические процессы влияют: температура и давление (их выбор определяется компромиссом между скоростью реакции и положением равновесия согласно принципу Ле Шателье), использование катализаторов (для увеличения скорости и снижения энергозатрат) и увеличение площади поверхности реагентов (для ускорения гетерогенных реакций).