- •С.А. Сергеева, в.Е. Рябинин Практикум по химии
- •Рекомендовано
- •Оглавление
- •Введение
- •Тема: Тепловые эффекты химических реакций. Термодинамические характеристики химических и биохимических процессов
- •1. Практическая часть
- •1.3. Контрольные вопросы
- •2. Экспериментальная часть Лабораторная работа. Определение стандартной теплоты (энтальпии) реакции нейтрализации
- •Экспериментальные данные и результаты измерений
- •4. Вопросы по теме для самостоятельного изучения их студентами.
- •Тема: Кинетика химических и биохимических реакций. Химическое равновесие
- •1. Основные понятия химической кинетики:
- •1. Практическая часть
- •1.3. Контрольные вопросы
- •2. Экспериментальная часть
- •Зависимость скорости разложения от ее концентрации //
- •4. Вопросы по теме для самостоятельного изучения их студентами.
- •Приложения а
- •Значения теплоты сгорания некоторых органических веществ, применяемых в медицине
- •Список литературы Основная литература
- •Дополнительная литература
Тема: Тепловые эффекты химических реакций. Термодинамические характеристики химических и биохимических процессов
Актуальность темы. Все химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами: выделением или поглощением тепла, света и энергии. Термодинамика изучает взаимные превращения различных видов энергии, отвечает на вопрос о возможности и направлении процессов, рассчитывает их тепловые эффекты.
Превращение энергии в биологических системах изучает биоэнергетика – раздел химической термодинамики, базирующийся на положениях, согласно которым ко всем живым системам можно применять законы термодинамики. Живая клетка организма в целом является открытой термодинамической системой, в которую беспрерывно поступают и выделяются вещества, а также осуществляется обмен энергии с окружающей средой. Вместе с тем, процессы обмена веществ в жизнедеятельности клетки связаны с преобразованием энергии, и живые организмы при этом её получают в виде потенциальной энергии, аккумулированной в химических связях молекул жиров, белков и углеводов. В процессе биологического окисления эта энергия высвобождается, прежде всего, для синтеза АТФ. Другая часть этой энергии превращается в теплоту, выделяется в процессе биологического окисления питательных веществ и эта теплота называется первичной. Количество синтезированных молей АТФ на моль окисленного субстрата зависит от его вида и от величины коэффициента фосфорилирования, который равен количеству синтезированных молекул АТФ в расчете на один атом кислорода, потребленный при окислении восстановленных органических соединений в процессе дыхания.
В нормальных условиях при полном окислении 1 г смеси углеводов пищи выделяется 4 ккал тепла, из которых только 0,91 ккал энергии аккумулируется в синтезированной АТФ. Поэтому коэффициент полезного действия синтеза АТФ при окислении глюкозы равен: , а 77,3% химических связей глюкозы при этом превращается в первичную теплоту и рассеивается в тканях.
Энергия, аккумулированная в АТФ, в последующем используется для осуществления в организме химических, транспортных, электрических процессов, производства механической работы и, в конечном итоге, тоже превращается в теплоту, получившую название вторичной. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражены в единицах тепла – калориях или джоулях. Для определения энергообразования в организме используют калориметрию.
В последние годы методы биоэнергетики применяются при исследовании таких биохимических процессов, как тканевое дыхание, фотосинтез, гликолиз, а также при изучении некоторых физиологических процессов на клеточном уровне. В последнем случае сравнение биоэнергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний на ранних стадиях. Кроме того, расчет теплового эффекта используется в диетологии для определения калорийности пищевых продуктов.
Цель темы: Приобретение системных знаний об основных началах термодинамики и термодинамических функциях состояния системы и умение применять эти знания к конкретным системам, встречающихся в биологических объектах. Овладение навыками выполнения термохимических расчетов для прогнозирования направленности и энергетики биохимических процессов, а также экспериментального определения тепловых эффектов на примере реакция нейтрализации.
Исходный уровень.Студент должен знать из довузовского курса химии: «Тепловые эффекты химических реакций, сохранение и превращение энергии при химических реакциях. Термохимические уравнения. Молярная концентрация вещества в растворе» и из курса биологии: «Обмен веществ и превращение энергии в клетке».
Основные учебно-целевые вопросы:
1. Основные понятия химической термодинамики:
система; типы систем (изолированные, закрытые, открытые);
интенсивные и экстенсивные параметры системы;
функции состояния системы;
внутренняя энергия; работа и теплота – формы передачи энергии;
термохимические процессы (изотермические, изобарные, изохорные);
термодинамические обратимые (равновесные) и необратимые процессы; стандартное состояние.
1.2. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования и сгорания веществ.
1.3. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и следствия из него.
1.4. Второе начало термодинамики. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированных и закрытых системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов. Термодинамические условия равновесия.
1.5.Экзергонические и эндергонические процессы в организме. Макроэргические соединения.
1.6.Химическая термодинамика как теоретическая основа химических процессов и биоэнергетики
Учебная карта темы.
1. Практическая часть:
1.1. Примеры решение ситуационных задач.
1.2. Вопросы и ситуационные задачи для закрепления материала.
1.3. Контрольные вопросы.
2. Экспериментальная часть (лабораторная работа).
3. Контроль усвоения темы (тесты текущего уровня).