- •Предисловие
- •Химическая термодинамика, как теоретическая основа биоэнергетики Предмет, методы и основные понятия химической термодинамики
- •Термодинамические системы: изолированные, закрытые, открытые, гомогенные, гетерогенные
- •Термодинамические параметры
- •Внутренняя энергия системы
- •Форма обмена энергии с окружающей средой
- •Первое начало термодинамики. Тепловые эффекты химических реакций
- •1. В изолированной системе сумма всех видов энергии есть величина постоянная.
- •Изобарный и изохорный процессы. Энтальпия. Тепловые эффекты химических реакций
- •Термохимия. Закон Гесса
- •Влияние температуры и давления на тепловой эффект реакции
- •Использование закона Гесса в биохимических исследованиях
- •Энтропия. Второй закон термодинамики Энтропия
- •Второе начало термодинамики. Свободная энергия Гиббса
- •Принцип энергетического сопряжения
- •Химическое равновесие Обратимые и необратимые реакции. Константа равновесия
- •Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье
- •Учение о растворах Растворы
- •Физические свойства н2о и строение ее молекул
- •Механизм образования растворов
- •Растворимость веществ. Факторы, влияющие на растворимость
- •Влияние природы веществ на растворимость
- •Влияние давления на растворимость веществ
- •Влияние температуры на растворимость веществ
- •Влияние электролитов на растворимость веществ
- •Взаимная растворимость жидкостей
- •Способы выражения состава растворов
- •Термодинамические аспекты процесса растворения. Идеальные растворы
- •Коллигативные свойства разбавленных растворов
- •Диффузия и осмос в растворах
- •Роль осмоса в биологических процессах
- •Давление насыщенного пара растворителя над раствором. Закон Рауля
- •Следствия из закона Рауля
- •1) Растворы кипят при более высокой температуре, чем чистый растворитель;
- •2) Растворы замерзают при более низкой температуре, чем чистый растворитель.
- •Применение методов криоскопии и эбуллиоскопии
- •Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа
- •Электролитическая диссоциация Электролиты и неэлектролиты. Теория электролитической диссоциации
- •Общая характеристика электролитов
- •Слабые электролиты
- •Сильные электролиты
- •Диссоциация воды. Водородный показатель
- •Теория кислот и оснований. Буферные растворы Теория кислот и оснований
- •Буферные растворы Определение буферных систем и их классификация
- •Механизм действия буферных систем
- •Вычисление рН и рОн буферных систем. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха
- •Буферная емкость
- •Буферные системы человеческого организма
- •Нарушения кислотно-оснóвного равновесия крови. Ацидоз. Алкалоз
- •Химическая кинетика и катализ Кинетика химических реакций
- •Понятие о скорости химической реакции. Закон действующих масс
- •Кинетическая классификация химических реакций. Понятие о молекулярности и порядке химической реакции Порядок и молекулярность простых химических реакций
- •Понятие о сложных химических реакциях
- •Классификация сложных реакций
- •Измерение скорости химической реакции
- •Влияние температуры на скорость химической реакции
- •Катализ Общие положения и закономерности катализа
- •Механизм гомогенного и гетерогенного катализа
- •Особенности каталитической активности ферментов
- •2. Другим важным отличием ферментов от катализаторов небелковой природы является их высокая специфичность, т.Е. Избирательность действия.
- •Физическая химия дисперсных систем Определение дисперсных систем
- •Классификация дисперсных систем и их общая характеристика
- •Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды
- •Классификация по взаимодействию между частицами дисперсной фазы или степени структурированности системы
- •Классификация по характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой
- •Методы получения дисперсных систем
- •Диспергирование жидкостей
- •Диспергирование газов
- •Конденсационные методы
- •Методы физической конденсации
- •Методы химической конденсации
- •Очистка золей
- •Компенсационный диализ и вивидиализ
- •Молекулярно-кинетические свойства золей
- •Броуновское движение
- •Диффузия
- •Седиментация в золях
- •Осмотическое давление в золях
- •Оптические свойства золей
- •Рассеяние света (опалесценция)
- •Оптические методы исследования коллоидных систем Ультрамикроскоп
- •Механизм образования и строение коллоидной частицы – мицеллы
- •1. Получение золя берлинской лазури:
- •2. Получение с помощью гидролиза FeCl3 золя гидроксида железа (III).
- •3. Получение золя As2s3:
- •Электрокинетические свойства золей
- •Устойчивость гидрофобных коллоидных систем. Коагуляция золей Виды устойчивости золей
- •Теория коагуляции Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека
- •Влияние электролитов на устойчивость золей. Порог коагуляции. Правило Шульца-Гарди
- •Чередование зон коагуляции
- •Коагуляции золей смесями электролитов
- •Скорость коагуляции
- •Коллоидная защита
- •Роль процессов коагуляции в промышленности, медицине, биологии
- •Растворы высокомолекулярных соединений
- •1) Своеобразное тепловое движение частиц растворенного вещества, схожее с броуновским движением мицелл в золях;
- •Общая характеристика высокомолекулярных соединений
- •Классификация полимеров
- •Набухание и растворение вмс
- •Термодинамические аспекты процесса набухания
- •Давление набухания
- •Свойства растворов высокомолекулярных соединений
- •Осмотическое давление растворов вмс
- •Онкотическое давление крови
- •Вязкость растворов полимеров
- •Свободная и связанная вода в растворах
- •Полиэлектролиты
- •Факторы, влияющие на устойчивость растворов полимеров. Высаливание
- •Электрохимия растворы электролитов как проводники второго рода. Электропроводность растворов электролитов
- •Эквивалентная электропроводность растворов
- •Практическое применение электропроводности
- •Равновесные электродные процессы
- •Металлический электрод
- •Измерение электродных потенциалов
- •Окислительно-восстановительные электроды
- •1. Переход окисленной формы в восстановленную и наоборот заключается только в обмене между ними электронами:
- •Диффузионный и мембранный потенциалы
- •Химические источники электрического тока. Гальванические элементы
- •Потенциометрия
- •Содержание
Влияние температуры и давления на тепловой эффект реакции
Используя справочные данные теплот образования или теплот сгорания химических веществ, можно теоретически рассчитать тепловой эффект реакции, протекающей при стандартных условиях.
Но как быть в тех случаях, когда необходимо знать тепловой эффект процесса при иных температурах и давлении (отличных от стандартных условий)?
В первом приближении можно принять, что изменения температуры и давления мало отражаются на величине Н(химической реакции). Так, например, для реакции
N2 (г)+ 3H2 (г)= 2NH3 (г)
различие между Н р = 100 кПаиНр = 50 000 кПасоставляет всего около 5%, а для реакции
С (графит)+ СО2 (г)= 2СО (г)
Но298= 172,38 кДж, аНо1500= 165,27 кДж (различие составляет4%).
Однако такая закономерность наблюдается не всегда. В ряде процессов изменение Н (химической реакции)с температурой может быть значительным даже в узком интервале температур. В общем случае оно будет тем больше, чем больше сумма теплоемкостей продуктов реакции отличается от суммы теплоемкостей исходных веществ. В таких случаях тепловой эффект реакции определяют по закону Кирхгофа:
Н (химической реакции)=Но298+
где Cор – разность молярных теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ (с учетом стехиометрических коэффициентов).
Молярной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо сообщить одному молю вещества, чтобы изменить его температуру на один градус Кельвина.
По приведенному уравнению можно рассчитывать тепловой эффект реакции только для интервала температур, при котором в системе не происходит межфазовых превращений и изменений в кристаллической решетке твердого вещества.
Использование закона Гесса в биохимических исследованиях
Закон Гесса справедлив не только для чисто химических реакций, но и для сложных биохимических процессов. Так, количество теплоты, получаемой при полном окислении до СО2и Н2О углеводов и жиров в живом организме и количество теплоты, выделяемое при сжигании этих же веществ в кислороде, будет равным.
В организме окисление углеводов и жиров протекает через множество промежуточных стадий. Определить практически тепловые эффекты каждой из них не представляется возможным. Но достаточно легко можно измерить количество теплоты, выделяемое при сжигании той или иной порции вещества в кислороде.
В медицине эту выделившуюся энергию называют иначе калорийностью пищи и часто измеряют не в кДж, а в ккал и приводят не для 1 моля вещества, а для 1 г или 100 г.
Так, калорийность углеводов составляет в среднем 1650-1720 кДж/100 г (400-410 ккал/100 г). Калорийность жиров является несколько большей, чем у углеводов, и изменяется в пределах 3770-3980 кДж/100 г (900-950 ккал/100 г) (табл. 2).
Таблица 2.Химический состав и калорийность некоторых пищевых продуктов (на 100 г съедобной части)
Название продуктов |
Содержание, % |
Калорийность | ||||||
белки |
жиры |
углеводы |
вода |
зола |
Ккал/ 100г |
кДж/ 100г | ||
Хлеб ржаной Хлеб пшеничный Крупа гречневая Крупа манная Макаронные изделия Сахар Масло подсолнечное (нерафинированное) Масло сливочное (соленое) Молоко коровье (цельное) Творог нежирный Яйцо куриное Рыба (треска горячего копчения) Говядина I категории Картофель Яблоки |
6,3 7,9 12,5 11,2 11,0
-
-
0,5
3,3 16,1 12,5
26,0
18,0 2,0 0,4 |
1,3 0,8 2,5 0,8 0,9
-
99,8
83,0
3,7 0,5 12,0
1,2
10,5 - - |
46,1 52,6 67,4 73,3 74,2
99,9
-
0,5
4,7 2,8 0,5
-
- 21,0 11,3 |
43,9 37,2 14,0 14,0 13,0
0,1
0,2
14,9
87,6 79,0 74,0
70,9
70,5 75,0 86,5 |
2,2 1,3 1,8 0,5 0,6
-
-
1,1
0,7 0,7 1,0
1,9
1,0 1,0 0,5 |
227 255 351 354 358
410
928
776
67 86 165
118
171 94 51 |
950 1067 1469 1481 1498
1715
3883
3247
280 360 690
494
715 393 213 |
Тепловые эффекты, наблюдающиеся при окислении белков в организме и их сжигании в кислороде (в отличие от углеводов и жиров), как правило, отличаются друг от друга.
Это связано с тем, что конечными продуктами сжигания белков в О2являются углекислый газ, вода и молекулярный азот (N2).
В организме же в процессе окисления белка образуются не N2, а такие продукты его неполного окисления, как мочевина, соли аммония, мочевая кислота и др. Тем не менее, калорийность белков обычно приравнивают к теплоте их полного сгорания СО2, Н2О иN2. Хотя в условиях организма на самом деле она будет несколько ниже.
Калорийность белков находится на том же уровне, что и для углеводов, и составляет 1650-1720 кДж/100г (400-410 ккал/100г).
Зная калорийность того или иного вида пищи, можно рассчитать ее суточную потребность для человека в зависимости от характера выполняемой им работы и затрачиваемой при этом энергии. Данные расчета широко используются в диетологии для составления суточного рациона питания.
При легкой работе в сидячем положении (канцелярские работники, портные и т.д.) суточная потребность взрослого человека в энергии составляет 2000-2800 ккал. При умеренной мышечной работе (врачи, столяры, токари, трактористы) – 3000-3600 ккал. При тяжелом физическом труде (кузнецы, плотники, пахари, каменщики) – 4000-5000 ккал.
Причем желательно, чтобы энергетические затраты человека в ходе его деятельности на 55-60% покрывались за счет углеводов, на 20-25% – за счет жиров и на 15-20% – за счет белков. Это связано с тем, что пища, поступающая в организм, должна быть разнообразной и содержать в себе все ее основные компоненты. Кроме энергетической функции, она выполняет еще и ряд других функций. В частности, является источником поступления в организм множества индивидуальных соединений (незаменимых аминокислот, непредельных жирных кислот, некоторых витаминов и т.д.), которые крайне необходимы для его нормального функционирования, но синтезироваться им самостоятельно не могут.
В таблице 2 приведены химический состав и калорийность некоторых пищевых продуктов, которая отождествляется с теплотой их полного сгорания.
При правильном питании суточное потребление углеводов должно по массе в 4-5 раз превышать количество белков или жиров, причем только небольшая часть от этого количества должна потребляться в виде сахарозы (т.е. свекловичного или тростникового сахара).
В случае умеренной физической нагрузки норма суточного потребления белков для человека составляет 80-100 г, жиров – 60-70 г, углеводов – 400-500 г.