Temperature, Catalysts and Enzymes താപനില · ഉൽപ്രേരകം · എൻസൈമുകൾ
Why does dosa batter rise overnight on the kitchen shelf but hardly at all in the fridge? Why does a glowing incense stick suddenly blaze when a pinch of black powder is added to hydrogen peroxide? Here are the last two factors that control the rate of reaction, temperature താപനില and catalysts ഉൽപ്രേരകം. You will also meet the threshold energy ത്രെഷോൾഡ് എനർജി, the Haber and contact processes, and the enzymes at work inside your own mouth.
1. Temperature താപനില – ammonium chloride and sodium hydroxide
അമോണിയം ക്ലോറൈഡും (NH₄Cl) സോഡിയം ഹൈഡ്രോക്സൈഡും (NaOH) തമ്മിലുള്ള പ്രവർത്തനം നമുക്കൊന്ന് പരിശോധിക്കാം. ഇവ തമ്മിൽ പ്രവർത്തിച്ചാൽ ഏതൊക്കെ ഉൽപന്നങ്ങളാണ് ലഭിക്കുന്നത്? Let us examine the reaction between ammonium chloride (NH₄Cl) and sodium hydroxide (NaOH). Q (page 106). Which products form when they react? Look at the equation:
NH4Cl + NaOH → NaCl + H2O + NH3↑ഒരു ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിൽ 2 mL അമോണിയം ക്ലോറൈഡ് ലായനി എടുക്കുക. അതിലേക്ക് മറ്റൊരു ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിൽ എടുത്തിരിക്കുന്ന 2 mL സോഡിയം ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് ലായനി ഒഴിക്കുക. Take 2 mL of ammonium chloride solution in a test tube. Pour into it 2 mL of sodium hydroxide solution taken in another test tube.
Blue dots are ammonia molecules leaving the liquid. The smell meter counts how many reach the nose. The numbers are a model.
Q (page 107). Answer from the experiment:
- എന്തെങ്കിലും ഉൽപന്നം ഉണ്ടായതായി നിരീക്ഷിച്ചോ? Did you observe any product forming?
- ചിത്രം 5.9 ൽ കാണുന്നതുപോലെ ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിന്റെ വായ്ഭാഗത്തുനിന്ന് നമ്മുടെ മൂക്കിലേക്ക് വായു വരുന്ന തരത്തിൽ കൈ വീശി നോക്കുക. എന്തെങ്കിലും ഗന്ധം അനുഭവപ്പെടുന്നുണ്ടോ? Wave your hand so that air from the mouth of the tube comes towards your nose, as in Fig 5.9. Do you notice any smell?
- ടെസ്റ്റ് ട്യൂബ് ചൂടാക്കിയശേഷം വീണ്ടും ഗന്ധം പരിശോധിക്കുക. Warm the test tube and test the smell again. What do you find?
2. Only a very faint smell, or none at all. At room temperature very little ammonia forms each second.
3. After warming, the sharp, pungent smell of ammonia അമോണിയയുടെ രൂക്ഷഗന്ധം is strong. The rate increased because the temperature increased.
ചൂടാക്കിയപ്പോഴാണ് അമോണിയയുടെ രൂക്ഷഗന്ധം ലഭിച്ചത്. അതായത് പ്രവർത്തനവേഗം വർധിച്ചത് താപനിലയിൽ ഉണ്ടായ വർധനവ് മൂലമാണ്.
2. Threshold energy ത്രെഷോൾഡ് എനർജി
For the reactants in a chemical reaction to change into products, the reactant particles need a certain minimum amount of kinetic energy ഗതികോർജം. This energy is called the threshold energy ത്രെഷോൾഡ് എനർജി.
അഭികാരകങ്ങളെ ചൂടാക്കുമ്പോൾ കണികകളുടെ ഗതികോർജം വർധിക്കുന്നു. അതായത് താപനില വർധിക്കുമ്പോൾ ത്രെഷോൾഡ് എനർജി കൈവരിച്ച കണികകളുടെ എണ്ണം കൂടുന്നു. തൽഫലമായി ഫലവത്തായ കൂട്ടിമുട്ടലുകളുടെ എണ്ണം വർധിക്കുകയും രാസപ്രവർത്തനം വേഗത്തിലാവുകയും ചെയ്യുന്നു. When the reactants are heated, the kinetic energy of the particles increases. So as the temperature rises, the number of particles that reach the threshold energy increases. As a result the number of effective collisions increases and the reaction becomes faster.
The particles in a beaker do not all have the same energy. A few are slow, most are in the middle, and a few are very fast. Move the slider and watch the coloured tail, which shows the particles that have at least the threshold energy.
The curve is a real energy distribution for gas particles (the Maxwell–Boltzmann shape), with the threshold put at 4 units. The percentages show the trend. They are not the values for any one reaction. K = kelvin; 300 K ≈ 27 °C.
Heating does two things. The particles move faster, so they collide a little more often. Much more important, a far larger share of the collisions now has at least the threshold energy. In the lab a rise of 60 K nearly doubles the green tail. Real reactions have a much higher threshold, so for them even a 10 °C rise can double the rate. Heating does not lower the threshold energy. It gives more particles enough energy to get over it.
? (page 107). സോഡിയം തയോസൾഫേറ്റും (Na₂S₂O₃) ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് ആസിഡും തമ്മിലുള്ള രാസപ്രവർത്തനക്രമം ചുവടെ നൽകിയിരിക്കുന്നു. പരീക്ഷണത്തിലൂടെ രാസപ്രവർത്തനവേഗത്തെ സ്വാധീനിക്കുന്ന ഘടകമേതെന്ന് തിരിച്ചറിയുക. The procedure for the reaction between sodium thiosulphate (Na₂S₂O₃) and hydrochloric acid is given below. Identify, by experiment, the factor that affects the rate.
ഒരു ബീക്കറിൽ സോഡിയം തയോസൾഫേറ്റിന്റെ നേർപ്പിച്ച ലായനി തയ്യാറാക്കുക. ഈ ലായനി തുല്യ അളവിൽ രണ്ട് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബുകളിൽ എടുക്കുക. ഒരു ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിനെ അൽപ്പസമയം ചൂടാക്കുക. രണ്ട് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബുകളിലും ഒരേ അളവിൽ നേർപ്പിച്ച ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് ആസിഡ് ഒഴിക്കുക. Prepare a dilute solution of sodium thiosulphate in a beaker. Take equal amounts of it in two test tubes. Warm one test tube for a short time. Pour the same amount of dilute hydrochloric acid into both tubes.
The clock in the picture runs 4 times faster than real time. Times are illustrative. A common rule of thumb is that a rise of 10 °C roughly doubles the rate of many reactions.
നിങ്ങളുടെ നിരീക്ഷണം രേഖപ്പെടുത്തുക. ഏത് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിലാണ് വേഗത്തിൽ അവക്ഷിപ്തം രൂപപ്പെട്ടത്? ഇവിടെ രാസപ്രവർത്തനവേഗത്തെ സ്വാധീനിച്ച ഘടകം ഏതാണ്? Q. Record your observation. In which test tube did the precipitate form quickly? Which factor affected the rate here?
The factor that affected the rate here is …
Precipitate formed quickly in: the warmed test tube.
Factor: temperature താപനില. At the higher temperature more particles have the threshold energy, so there are more effective collisions.
Go further, the equation: Na₂S₂O₃ + 2HCl → 2NaCl + S↓ + SO₂↑ + H₂O.
- ദോശയും ഇഡ്ഡലിയും ഉണ്ടാക്കാനായി നമ്മൾ അരച്ചുവെക്കുന്ന മാവ് സാധാരണ താപനിലയിൽ വളരെ വേഗത്തിൽ പുളിച്ചുപൊങ്ങി വരുന്നത് കാണാനാകും എന്നാൽ റഫ്രിജറേറ്ററിലാണ് മാവ് സൂക്ഷിക്കുന്നതെങ്കിൽ പൊങ്ങി വരുന്നത് സാവധാനത്തിൽ ആയിരിക്കും. The batter we grind for dosa and idli ferments and rises quickly at room temperature, but if it is kept in the refrigerator it rises only slowly. Fermentation is a chemical change carried out by the enzymes of yeast and bacteria. In the cold it slows down, and in a warm Kerala kitchen it speeds up. Curd also sets faster in summer.
- ഇപ്രകാരം ചില രാസവസ്തുക്കൾ മിശ്രണം ചെയ്ത ലൈറ്റ് സ്റ്റിക്കുകൾക്കും വെളിച്ചം പുറപ്പെടുവിക്കാൻ കഴിയും. ഇത്തരം ലൈറ്റ് സ്റ്റിക്കുകൾക്ക് ഉയർന്ന താപനിലയിൽ തീവ്രതയുള്ള പ്രകാശം പുറത്തേക്ക് വിടാൻ കഴിയും. You know that a firefly gives out light by chemiluminescence. Light sticks also glow when the chemicals inside are mixed. At a higher temperature they glow more brightly, because the light-giving reaction runs faster (they also fade sooner). Try it below.
3. Catalysts ഉൽപ്രേരകങ്ങളുടെ സ്വാധീനം – hydrogen peroxide and manganese dioxide
ഹൈഡ്രജൻ പെറോക്സൈഡ് (H₂O₂) എന്ന സംയുക്തത്തെക്കുറിച്ച് നിങ്ങൾ കേട്ടിട്ടുണ്ടോ? നമ്മുടെ വീടുകളിലും ആശുപത്രിയിലുമൊക്കെ അണുനാശിനിയായി ഹൈഡ്രജൻ പെറോക്സൈഡിന്റെ ജലീയലായനി ഉപയോഗിക്കാറുണ്ട്. കോവിഡിന്റെ ആക്രമണം രൂക്ഷമായിരുന്ന സമയത്ത് ഹൈഡ്രജൻ പെറോക്സൈഡ് അടങ്ങിയ സാനിറ്റൈസർ ഉപയോഗിച്ചിരുന്നല്ലോ. വിഘടന രാസപ്രവർത്തനത്തിന് വിധേയമാകുമ്പോൾ ഹൈഡ്രജൻ പെറോക്സൈഡിന് ഓക്സിജൻ സ്വതന്ത്രമാക്കാൻ കഴിയും. Have you heard of hydrogen peroxide (H₂O₂)? Its solution in water is used as a disinfectant (antiseptic) in our homes and hospitals, and sanitisers containing hydrogen peroxide were used during the worst of the COVID period. When it undergoes a decomposition reaction വിഘടന രാസപ്രവർത്തനം, hydrogen peroxide sets oxygen free:
2H2O2 → 2H2O + O2↑ബോയിലിംഗ് ട്യൂബിൽ കുറച്ച് ഹൈഡ്രജൻ പെറോക്സൈഡ് ലായനി എടുക്കുക. ബോയിലിംഗ് ട്യൂബിനുള്ളിലേക്ക് എരിയുന്ന ഒരു ചന്ദനത്തിരി കാണിക്കുക. Take a little hydrogen peroxide solution in a boiling tube. Hold a glowing incense stick എരിയുന്ന ചന്ദനത്തിരി inside the tube. Then add a little manganese dioxide (MnO₂) മാംഗനീസ് ഡൈഓക്സൈഡ് and bring the glowing stick in again.
Oxygen volumes and masses are illustrative. The tube gets warm, because the decomposition gives out heat.
Q (page 108). Answer from the experiment:
- ചന്ദനത്തിരി കത്തുന്നതിൽ എന്തെങ്കിലും മാറ്റം ഉണ്ടോ? Is there any change in the way the incense stick burns (before MnO₂)?
- ഇപ്പോൾ എന്താണ് നിരീക്ഷിച്ചത്? After adding MnO₂, what did you observe now?
- ഫിൽറ്റർ പേപ്പറിൽ അവശേഷിക്കുന്ന പദാർഥം എന്താണ്? When the reaction is over, the solution is filtered through filter paper. What is the substance left on the filter paper?
2. The liquid froths with oxygen bubbles and the incense stick glows brightly and may burst into flame. ചന്ദനത്തിരിയുടെ ജ്വലനവേഗം വർധിച്ചതായി കാണാം. The burning of the stick became faster because the decomposition of hydrogen peroxide became faster and released more oxygen. The substance that increased the rate is manganese dioxide.
3. Manganese dioxide, the same black powder. മാത്രമല്ല സൂക്ഷ്മമായി പരിശോധിച്ചാൽ അതിന്റെ അളവിലും ഗുണത്തിലും മാറ്റം ഉണ്ടായിട്ടില്ല എന്നതും ബോധ്യമാകും. When it is examined carefully, its amount (mass) and properties have not changed.
Substances that increase the rate of a chemical reaction without themselves undergoing a permanent chemical change are called catalysts ഉൽപ്രേരകം. In the decomposition of hydrogen peroxide, manganese dioxide is used as a catalyst.
A catalyst gives the reaction a different path with a lower threshold energy. At the same temperature, many more particles now have enough energy, so many more collisions are effective. Press "Add a catalyst" in the energy share lab above to see the threshold line move left and the green tail grow. The catalyst takes part along the way but is given back unchanged at the end. That is why a small pinch can be used again and again. A catalyst changes only how fast the products form, not which products form or how much.
4. Catalysts in industry – the Haber and contact processes
ഇതുപോലെ ചുവടെ നൽകിയിരിക്കുന്ന രാസപ്രവർത്തനങ്ങളിലെ ഉൽപ്രേരകങ്ങൾ ഏതൊക്കെയാണെന്ന് തിരിച്ചറിയാമോ? Q (page 109). In the same way, can you identify the catalysts in the reactions below? The catalyst is written above the arrow and the conditions below it.
1. ഹേബർ പ്രക്രിയ വഴിയുള്ള അമോണിയയുടെ വ്യാവസായിക നിർമ്മാണം Industrial manufacture of ammonia by the Haber process ഹേബർ പ്രക്രിയ:
N2(g) + 3H2(g) Fe⇌200 atm, 700 K 2NH3(g)2. സമ്പർക്ക പ്രക്രിയ (contact process) വഴിയുള്ള സൾഫ്യൂരിക് ആസിഡിന്റെ വ്യാവസായിക നിർമ്മാണം Industrial manufacture of sulphuric acid by the contact process സമ്പർക്ക പ്രക്രിയ, in its key step:
2SO2(g) + O2(g) V2O5⇌2 atm, 720 K 2SO3(g)The catalyst in the Haber process is …
The catalyst in the contact process is …
'⇌' ചിഹ്നം ഉഭയദിശാ പ്രവർത്തനങ്ങളെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. The sign ⇌ shows that these are reversible reactions ഉഭയദിശാ പ്രവർത്തനങ്ങൾ. Some ammonia breaks back into nitrogen and hydrogen even as it forms, so the reaction goes both ways. Without a catalyst these reactions would be far too slow for a factory. With one, a fertiliser factory (such as FACT at Udyogamandal, near Kochi) can make ammonia fast enough.
Besides the nature, concentration and surface area of the reactants, the temperature and the presence of catalysts also affect the rate of reaction.
| Factor | Change that speeds it up | Collision-theory reason |
|---|---|---|
| Nature of reactants അഭികാരകങ്ങളുടെ സ്വഭാവം | a more reactive substance (Mg rather than Zn, Na rather than Mg) | a larger share of collisions is effective |
| Concentration ഗാഢത | more concentrated | more particles per unit volume → more collisions per second |
| Surface area പ്രതലപരപ്പളവ് | powder or small pieces | more exposed particles → more collisions per second |
| Temperature താപനില | warmer | more particles reach the threshold energy → more effective collisions (and slightly more collisions) |
| Catalyst ഉൽപ്രേരകം | add a suitable catalyst | (go further) a path with a lower threshold energy → more effective collisions; the catalyst is unchanged at the end |
5. Catalysis in nature ഉൽപ്രേരണങ്ങൾ (catalysis) പ്രകൃതിയിൽ – enzymes
ജീവനുള്ള ഓരോ കോശത്തിലും ആയിരക്കണക്കിന് രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ സാധാരണ താപനിലയിലും മർദത്തിലും സംഭവിക്കുന്നു. ഈ രാസപ്രവർത്തന വേഗത്തെ എൻസൈമുകൾ എന്നറിയപ്പെടുന്ന പ്രോട്ടീൻ തന്മാത്രകൾ ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നതിനാൽ അവ ഉൽപ്രേരകങ്ങളാണ്. ഉദാഹരണമായി ഉമിനീരിൽ കാണപ്പെടുന്ന അമിലേസ്, അന്നജത്തെ മാൾട്ടോസ് ആക്കി മാറ്റുന്ന എൻസൈമാണ്. Many catalytic processes ഉൽപ്രേരണം take place in nature. In every living cell, thousands of chemical reactions happen at ordinary temperature and pressure. Protein molecules called enzymes എൻസൈമുകൾ speed up these reactions, so they are catalysts. For example, amylase അമിലേസ്, found in saliva, is an enzyme that changes starch അന്നജം into maltose മാൾട്ടോസ്.
Try it: chew a mouthful of plain rice (or a piece of bread) slowly for a minute. It begins to taste sweet, because amylase is turning the starch into maltose, a sugar. Amylase works best at body temperature, about 37 °C. Like every catalyst, it comes out of the reaction unchanged and goes on to the next starch molecule.
Sugar that burns only with a little ash. When sugar candy (a sugar cube, കൽക്കണ്ടം) is heated, it melts but does not catch fire. But if a little ash is rubbed on it first, the sugar burns. Some metal compounds in the ash act as a catalyst for the burning of the sugar.
ബൊംബാർഡിയർ ബീറ്റിൽ സ്വയരക്ഷയ്ക്കായി ഹൈഡ്രജൻ പെറോക്സൈഡിന്റെ ഉൽപ്രേരണ വിഘടനം ഉപയോഗിക്കുന്നു. ബീറ്റിലിൽ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന എൻസൈം ദ്രുതഗതിയിലുള്ള താപമോചക പ്രവർത്തനത്തെ ഉത്തേജിപ്പിക്കുന്നു. തൽഫലമായി നീരാവിയും അസ്വസ്ഥത ഉളവാക്കുന്ന മറ്റ് രാസവസ്തുക്കളും പുറന്തള്ളപ്പെടുന്നു.The bombardier beetle. To defend itself, this beetle uses the catalysed decomposition of hydrogen peroxide. An enzyme made by the beetle speeds up a very fast exothermic reaction താപമോചക പ്രവർത്തനം, and a hot spray of steam and irritating chemicals shoots out at the attacker. It is the same reaction as in your MnO₂ lab, with an enzyme as the catalyst.
- 📄 Catalysis Wikipedia
Substances that speed up reactions without being used up. - 📄 Enzyme Wikipedia
Proteins that are nature’s catalysts in every living cell. - 📄 Amylase Wikipedia
The enzyme in saliva that turns starch into maltose. - 📄 Haber process Wikipedia
Making ammonia with an iron catalyst. - 📄 Contact process Wikipedia
Making sulphuric acid with a vanadium pentoxide catalyst.
6. Check yourself
- Temperature: NH₄Cl + NaOH → NaCl + H₂O + NH₃↑ gives a strong ammonia smell only when warmed. The warmed thiosulphate tube turns cloudy (sulphur) first. Batter rises faster at room temperature than in the fridge, and light sticks glow brighter when warm.
- Threshold energy ത്രെഷോൾഡ് എനർജി: the minimum kinetic energy that reactant particles need to change into products. Heating → more particles reach it → more effective collisions → faster.
- Catalyst ഉൽപ്രേരകം: increases the rate without itself undergoing a permanent chemical change. In 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑ the catalyst is MnO₂, which is recovered unchanged by filtering, with the same mass and properties.
- Haber process: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (Fe, 200 atm, 700 K). Contact process: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ (V₂O₅, 2 atm, 720 K). The sign ⇌ means a reversible reaction.
- Enzymes എൻസൈമുകൾ are protein catalysts of living cells. Amylase in saliva changes starch → maltose.