14.4 °C
Visapkārt esošā pasaule nepārtraukti mainās: aug, uzzied, nes augļus, sasalst, atkūst, deg, izkūst un tamlīdzīgi. Vienalga, vai kūst sniegs vai kondensējas tvaiks, vai sasalst ūdens – viela atbilstoši savām ķīmiskajām īpašībām paliek nemainīga, mainās tikai forma.
Taču, kad rūsē dzelzs, sadeg malka, piens pārtop biezpienā – tās jau ir ķīmiskās reakcijas, kuru rezultātā veidojas jaunas vielas: dzelzs oksīds, pelni, biezpiens, un šeit jau mainās pats vielas pamats, tās ķīmiskā formula jeb sastāvs. Pētnieki pauž: lai arī tas nav nemaz tik vienkārši, tomēr ir vērts vērīgāk aplūkot un pacensties izprast šīs noslēpumainās metamorfozes.
Iespējams, vajadzētu sākt ar atbildes meklējumu jautājumam: kas vispār ir reakcijas, un kāpēc viena to daļa notiek, savukārt citos gadījumos nenotiek? Un, vai ir iespējams arī pretējs process: piemēram, vai dūmi pārvēršas malkā, biezpiens pienā un rūsa dzelzī? Pieredze liecina, ka nav iespējams. Un turklāt ir daudz tādu reakciju, kas dabiskos apstākļos izrādās praktiski neiespējamas.
Speciālisti noformulējuši, ka ķīmiskās reakcijas būtība izpaužas vienu saišu pārtraukšanā un citu jaunveidošanā. Saiti īsteno valentie elektroni jeb tātad tie elektroni, kas piedalās ķīmiskās saites veidošanā ar citu atomu vai atomu grupu, un tā veidojas tikai tajos apstākļos, ja pastāv pietiekama reakcijas potenciālo dalībnieku savstarpējā satuvināšanās. Rezultātā jaunas vielas rašanās notiek tikai tad, ja īstenojas izejas reaģentu molekulu vai atomu sadursme. Tie visi, raugoties no enerģētiskā aspekta, ir dažādi pat tajā gadījumā, ja tiem piemīt vienāda ķīmiskā uzbūve, un tiem ir atšķirīgs kustības virziens un ātrums, iekšējais stāvoklis un sadursmes leņķis, un tāpēc ne jau gluži katra tāda sastapšanās izraisa jaunas vielas rašanos.
Raugoties no iespējamās mijiedarbības aspekta, sākotnēji visiem elementiem ir “simpātijas” un “antipātijas”.
Reakcija iespējama tikai konkrētajos apstākļos savstarpēji “simpatizējošiem” atomiem. Var arī teikt, ka tiem ir kopīgs mērķis – jauna viela. Savukārt, raugoties no ķīmiskās termodinamikas aspekta, principiālo reakcijas patvaļīgas norises iespējamību noteic enerģijas pārvērtības likumsakarības, un pamatā tās ir entalpijas (no grieķu ‘uzsildu’) un entropijas (no grieķu ‘pagrieziens’) savstarpējās attiecības. Bet pat principiāla reakcijas iespējamība vēl nenozīmē, ka tā patiešām arī īstenosies kaut kādā reāli pamanāmā līmenī.
Lieta tāda: lai varētu iesaistīties reakcijā, molekulām vai atomiem bieži nepieciešama izejas reaģentu aktivēšana. Jāiedomājas molekulas vai atomi kā alpīnisti, kas sapulcējušies nolūkā veikt “lielo ķīmisko pārgājienu”, kur gala mērķis ir ķīmiskā reakcija, pirms kā gan viņiem vēl jāpārvar enerģētiskais “kalns”. Atkarībā no tā, kāds ir šis kalns, to pārvarēt spējīgo molekulu daudzums būs vai nu lielāks, vai mazāks.
Piemēram, amonjaka veidošanās reakcija no slāpekļa un gaisa ūdeņraža ir principiāli iespējama un parastajos apstākļos tā arī atraisās, lai gan risinās ārkārtīgi lēni. Savukārt virsotnes pārvarēšanas mehānisms paredz starpposma savienojuma veidošanos: tas ir nenoturīgs un eksistē vien dažas sekundes simtdaļas, taču tieši tas tad arī atrodas šā kalna galā. Reakcijas ātrumu iespējams kāpināt, vai nu palielinot “alpīnistu komandas locekļu” sākotnējo enerģiju, piemēram, ar uzkarsēšanu, vai arī izmantojot katalizatoru.
Bet katalizators ir viela, kas paātrina ķīmisko reakciju, taču šīs reakcijas rezultātā pats paliek nemainīts.
Enerģētiskā kalna pārvarēšana, iziešana uz taisno ķīmiskās reakcijas ceļu īstenojas, pateicoties tam, ka veidojas cits starpposma savienojums, vai arī enerģētiskajā kalnā uzrodas “tunelis”, kas piešķir iespēju to pārvarēt iespējami lielākam daudzumam “alpīnistu”. Proti, reakcijas rezultāti paliek tie paši, savukārt ceļš ir cits, un zemāka ir arī enerģētiskā barjera. Rezultātā krasi pieaug ķīmiskās reakcijas ātrums.
Piemēram: pieliekot degošu sērkociņu cukurgraudam, cukurs kusīs un pārogļosies, taču nedegs. Bet, ja cukuru ievietos pelnos un atkal aizdedzinās – cukurs aizdegsies. Katalizators jeb šajā gadījumā pelnos esošie metālu pelni paātrina oksidēšanās reakciju. Līdz ar to var apgalvot, ka tam, lai īstenotos ķīmiska reakcija, nepieciešamas pamata vielas (“alpīnisti”), mērķis (reakcijas rezultāts), principiāla reakcijas īstenošanās iespējamība konkrētajos apstākļos (vai “alpīnisti” kāps kalnā) un enerģija, kas dod iespēju veikt “lielo ķīmisko pārgājienu”. Lai alpīnistiem varētu palīdzēt sasniegt virsotni, lielākajam vairākumam no viņiem nepieciešams šis katalizators.
Sajaucot sīkkristālisko jodu un cinka putekļus uz metāla plāksnes, var redzēt – maisījums neuzrāda nekādas dzīvības pazīmes, nav nekādu reakciju. Bet, tiklīdz maisījumam pievieno dažus pilienus ūdens, virs plāksnes acumirklī uzvirmo violets mākonis – un tas liecina par to, ka katalizatora (ūdens) klātbūtnē cinks vētraini reaģē ar jodu. Var piebilst, ka ūdens vispār ir visizplatītākais katalizators uz Zemes – tieši tas savas dipolārās uzbūves dēļ spēj strauji aktivizēt izšķīdināto vielu molekulas.
Pārliecinoši lielākais vairākums uz Zemes notiekošo ķīmisko pārveidošanos atklātā vai slēptā veidā risinās ar katalizatora palīdzību. Pārveidošanās un saules enerģijas “konservācijas” process augu valstībā un tās atbrīvošana dzīvnieku un cilvēku augšanai un kustībai ir fermentējoši procesi. Ferments ir sastāva ziņā sarežģīta olbaltumviela, kas uzstājas kā katalizators bioloģiskajās sistēmās. Tā uzrāda krasu specifiku – paātrina tikai vienu procesu, taču ir burtiski par vairākām kārtām efektīvāka salīdzinājumā ar neorganiskajiem katalizatoriem un piešķir iespēju īstenot pat termodinamiski neizdevīgas reakcijas. Savukārt organismos, kas sevī satur olbaltumvielas, reakcijas termiskais paātrinājums nav iespējams, jo pretējā gadījumā olbaltums sarecēs.
Lielākais vairākums dzīvnieka un cilvēka asinīs, barības pārstrādes sistēmā un šūnās notiekošo reakciju ir tā dēvētās katalītiskās reakcijas. Var piebilst, ka cilvēka organismā ir aptuveni 3000 dažādu fermentu. Starp citu, augu valstībā notiekošā fotosintēzes reakcija arī ir katalītiska, un dažkārt izmantoti dzīvnieku pasaules fermentiem analoģiski fermenti, kas palīdz, piemēram, sadalīt graudu olbaltumvielas, lai dzinums varētu izmantot “vecāku mantojumu”.
Katalīzes princips visās dabas sfērās uzskatāms par vienu no universālajiem vielas mijiedarbības un transformācijas likumiem. Proti, bez katalīzes nav dzīvības. Un visās šajās dabas sfērās spēkā ir vieni un tie paši likumi. Lai gan pasaule šķiet sadalīta neskaitāmās daļās, tā tomēr ir vienota. Var pat teikt tā: pasaules ārējā daudzveidība ir tās iekšējās vienotības izpausme.
