- •Дмитрів а. М., Стецьків а. О., Сав’як о. Л. Фізична хімія Навчальний посібник
- •Івано-Франківськ – 2013
- •Передмова
- •Загальні правила роботи у лабораторії фізичної і колоїдної хімії
- •Правила техніки безпеки при виконанні робіт у лабораторії фізичної та колоїдної хімії
- •Основні правила надання першої допомоги при нещасних випадках
- •Розділ 1 Хімічна термодинаміка
- •Перший закон термодинаміки
- •1. Ізотермічний процес:
- •2. Ізохорний процес:
- •3. Ізобарний процес:
- •Термохімія
- •Залежність ентальпії реакції від температури. Рівняння кірхгофа
- •Приклади розв'язування задач
- •Заняття №1
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Самостійна робота на занятті
- •Лабораторна робота Визначення теплового ефекту нейтралізації Інформаційна частина
- •Експериментальна частина
- •Методичні вказівки
- •Питання для самоконтролю
- •Заняття №2
- •Теоретична частина другий закон термодинаміки. Ентропія
- •Статистичний характер другого закону термодинаміки
- •Обчислення ентропії. Зміна ентропії у різних процесах
- •Третій закон термодинаміки. Абсолютне значення ентропії
- •Характеристичні функції
- •Термодинаміка хімічної рівноваги хімічний потенціал
- •Закон дії мас та константи рівноваги
- •Рівняння ізотерми хімічної реакції
- •Залежність константи рівноваги від температури. Рівняння ізохори та ізобари хімічної реакції
- •Приклади розв'язування задач
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи і. Засвоїти основний матеріал навчальної програми
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Самостійна робота на занятті
- •Лабораторна робота Дослідження рівноваги оборотної хімічної реакції Інформаційна частина
- •Експериментальна частина
- •Методичні вказівки
- •Вміст колб № 1-6
- •Питання для самоконтролю
- •Розділ 2 фазові рівноваги
- •Приклади розв'язування задач
- •Заняття №3 Тема: Термічний аналіз. Фазові перетворення в одно- і дво компонентних системах. Розподіл речовини між двома рідинами. Екстракція. Побудова діаграми стану бінарної системи.
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Самостійна робота на занятті
- •Лабораторна робота Побудова діаграми стану бінарної системи нафталін-фенол
- •Експериментальна частина
- •Методичні вказівки
- •Склад зразків
- •Питання для самоконтролю
- •Розділ 3 розчини
- •ОсМотичний тик розчинів. Зниження температури замерзання і підвищення температури кипіння розбавлених розчинів неелектролітів
- •Приклади розв'язування задач
- •Заняття №4 Тема: Колігативні властивості розчинів. Визначення молярної маси розчиненої речовини методом кріоскопії.
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Самостійна робота на занятті
- •Лабораторна робота Визначення молярної маси розчиненої речовини методом Раста Інформаційна частина
- •Експериментальна частина
- •Методичні вказівки
- •Питання для самоконтролю
- •Заняття №5 Тема: Електрична провідність розчинів електролітів. Кондуктометричне титрування. Визначення ізотонічного коефіцієнту розчину електроліту.
- •Теоретична частина
- •Приклади розв'язування задач
- •Електропровідність розчинів електролітів
- •Приклади розв'язування задач
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Самостійна робота на занятті
- •Перелік питань, які виносяться на змістовий модуль 1
- •Лабораторна робота Визначення ізотонічного коефіцієнту розчину електроліту Інформаційна частина
- •Експериментальна частина
- •Методичні вказівки
- •Питання для самоконтролю
- •Розділ 4 електрохімія
- •Заняття №6 Тема: Електродні потенціали та електрорушійна сила гальванічних елементів. Окисно-відновні електроди. Потенціометричне визначення рН розчину.
- •Теоретичні відомості
- •Гальванічні елементи, їх класифікація
- •Приклади розв’язування задач
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи і. Засвоїти основний матеріал навчальної програми
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Самостійна робота на занятті
- •Лабораторна робота Потенціометричне визначення рН водних розчинів Інформаційна частина
- •Експериментальна частина
- •Методичні вказівки
- •Результати вимірювань ерс хлорсрібно-скляного кола
- •Питання для самоконтролю
- •Поясніть, чому потенціал хлорсрібного електрода при даній концентрації кСl є сталим?
- •Заняття №7
- •Теоретичні відомості
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи і. Засвоїти основний матеріал навчальної програми
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Самостійна робота на занятті
- •Експериментальна частина
- •Методичні вказівки
- •Питання для самоконтролю
- •Розділ 5 хімічна кінетика і каталіз
- •Методи визначення порядку реакції
- •Приклади розв’язування задач
- •Заняття № 8
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Самостійна робота на занятті
- •Лабораторна робота Визначення константи швидкості реакції йодування ацетону
- •Експериментальна частина
- •Методика виконання роботи
- •Вивчення швидкості реакції йодування ацетону
- •Використовуючи рівняння (8.2) та значення Сац,0, сн,0, Сx і τ розраховують константу швидкості k.
- •Питання для самоконтролю
- •Заняття № 9
- •Теоретична частина вплив температури на швидкість реакції
- •Рівняння Арреніуса
- •Каталіз
- •Характерні особливості каталізаторів
- •Гомогенний каталіз
- •Кислотно-основний каталіз
- •Ферментний каталіз
- •Гетерогенний каталіз
- •Приклади розв’язування задач
- •Завдання для самостійної позааудиторної роботи і. Засвоїти основний матеріал навчальної програми
- •Іі. Дати письмові відповіді на контрольні запитання
- •Ііі. Розв’язати задачі
- •Перелік питань, які виносяться на змістовий модуль 2
- •Самостійна робота на занятті
- •Експериментальна частина
- •Методичні вказівки
- •Питання, які виносяться на модуль 1 «фізична хімія»
- •Банк тестів з фізичної хімії
- •1. Хімічна термодинаміка
- •2. Фазові рівноваги
- •3. Загальна характеристика розчиНів
- •4. Електрохімія
- •5. Хімічна кінетика
- •Засоби контролю знань студентів
- •Значення найважливіших фундаментальних сталих
- •Кріоскопічні та ебуліоскопічні константи деяких розчинників
- •Константи дисоціації деяких слабких електролітів при 25 °с
- •Стандартні ентальпії утворення ∆н0298, ентропії ∆s0298 та енергії Гіббса ∆g0298 деяких речовин при 298 к
- •Стандартні електродні потенціали деяких металів у водних розчинах
- •Перелік літератури Основна література
- •Додаткова література
Кислотно-основний каталіз
Кислотно-основний каталіз включає:
специфічний кислотно-основний каталіз (каталіз йонами гідроксонію і гідроксиду);
загальний кислотно-основний каталіз (каталізатори – кислоти і основи Бренстеда);
електрофільно-нуклеофільний каталіз (каталізатори – кислоти і основи Льюїса).
Механізм кислотно-основного каталізу полягає у протолітичній взаємодії між каталізатором і реагуючою речовиною, внаслідок чого утворюється нестійка проміжна сполука, яка потім розкладається на продукт реакції і каталізатор. Прикладами кислотно-основного каталізу можуть бути реакції гідролізу естерів, етерифікації, гідролізу полісахаридів, ізомеризації, галогенування, конденсації та ін.
Автокаталіз – процес каталітичного прискорення хімічної реакції одним з її продуктів. Прикладом є реакція гідролізу складних естерів, яка каталізується йонами водню. Кислота, яка утворюється при гідролізі, дисоціює з утворенням протонів, які прискорюють реакцію гідролізу. Особливістю автокаталітичної реакції є те, що вона відбувається зі сталим зростанням концентрації каталізатора. Тому в початковий період реакції швидкість її зростає, а на подальших стадіях внаслідок зменшення концентрації реагентів швидкість зменшується.
Ферментний каталіз
Усі хімічні процеси за умов фізіологічного середовища організму (гідроліз, протоліз, фосфорилювання, комплексоутворення, окисно-відновні реакції) можуть відбуватися тільки за участю каталізаторів, які називають ферментами, або ензимами.
Ферменти – це речовини білкової природи, які виробляються клітинами живих організмів і значно збільшують швидкість біохімічних процесів.
Перші відомості про речовини, що прискорюють швидкість реакції спиртового бродіння цукрів, з'явились ще на початку XVII ст. Голландський вчений В. Гельмонт запропонував називати їх ферментами. Нині відомо декілька тисяч таких речовин, з яких дуже багато виділено в чистому кристалічному вигляді. Вважають, що в клітині міститься близько 10 тис. молекул різних ферментів, які прискорюють понад 2 тис. реакцій. Четверта частина всіх вивчених ферментів містять йони різних металів і тому їх називають металоферментами.
Ферменти, як і неорганічні каталізатори, підлягають загальним законам каталізу і характеризуються рядом подібних ознак, тобто вони:
каталізують тільки ті реакції, які є енергетично можливими;
зменшують енергію активації реакцій, тим самим значно прискорюючи їх;
не витрачаються в процесі біохімічної реакції.
Проте ферменти характеризуються й особливими ознаками, які дають можливість відрізнити їх від звичайних неорганічних каталізаторів. Ці відмінності пов'язані з особливостями будови ферментів.
Основою ферментних каталізаторів є поліпептидні ланцюги, структурними одиницями яких є амінокислоти з різними замісниками. До складу ферментів входять і катіони металів, здатні утворювати донорно-акцепторні центри, які прискорюють реакції з переносом електрона. Поліпептидні ланцюги мають велику масу і розміри, які набагато перевищують за розміром молекули субстратів та продуктів. Тому виникає здатність ферментів до адсорбції. Гнучкість поліпептидних ланцюгів і можливість до утворення водневих зв'язків і S-S зв'язків веде до формування просторових структур, які мають порожнини різної геометрії – все це надає можливість для чисельних зв'язків.
Ферментний каталіз має дві характерні особливості:
1. Висока активність, яка на декілька порядків вища за активність неорганічних каталізаторів. Так, константа швидкості реакції розкладення пероксиду водню, яку каталізують йони Fe2+, складає 56 с-1, константа швидкості цієї ж реакції, яку каталізує фермент каталаза, дорівнює 3,5∙107, тобто реакція в присутності фермента протікає в міліон раз швидше (енергії активації процесів відповідно 42 і 7,1 кДж/моль).
2. Висока специфічність. Наприклад, амілаза каталізує гідроліз крохмалю, який являє собою ланцюг однакових глюкозних фрагментів, але не каталізує гідроліз сахарози, молекула якої складена з глюкозного і фруктозного фрагментів. Уреаза, яка каталізує гідроліз сечовини, є неактивною при гідролізі інших амідів, які не відрізняються від сечовини за реакційною здатністю.
У відповідності до прийнятих нині уявлень, субстрат S і фермент F знаходяться в рівновазі з фермент-субстратним комплексом FS, який, дуже швидко утворюється та повільно розкладається на продукт реакції Р з вивільненням вільного ферменту:
F + S↔ FSF + P.
Дослідження залежності швидкості ферментної реакції від концентрації субстрату при сталій концентрації ферменту показали, що при збільшенні концентрації субстрату швидкість реакції спочатку збільшується, а потім стабілізується (рис). Залежність швидкості реакції від концентрації субстрату підкоряється наступному рівнянню:
де Кm – константа Міхаеліса, яка чисельно дорівнює концентрації субстрату при V = 1/2 Vmax.
Константа Міхаеліса є мірою спорідненості між субстратом і ферментом: чим менше Кm, тим більше їх здатність до утворення фермент-субстратного комплексу.
Характерна особливість дії ферментів є висока чутливість активності ферментів до зовнішніх умов – рН середовища і температури. Ферменти активні лише в достатньо вузькому інтервалі рН і температури, причому для ферментів характерна наявність в цьому інтервалі максимуму активності при деякому оптимальному значенні рН або температури; по обидві сторони від цього значення активність ферментів швидко знижується.
Широко використовують у фармацевтичній практиці ферментні препарати: пепсин при гастриті, лідазу при опіках, контрактурах суглобів, препарати лізоциму для лікування інфекційних захворювань, стрептокіназу, стрептазу для лікування тромбозу та ін. Існують також препарати, до складу яких входять декілька ферментів: фестал, ензістал, лізим, солізим, призначені для комплексного лізису білків, вуглеводів та жирів.