Методические рекомендации преподавателям

Домашняя работа № 1

Организация самостоятельной работы студентов должна быть направлена на максимальное развитие у них навыков использования специальной литературы, в том числе и электронных баз данных российских и зарубежных библиотек, а также патентной документации. Ответы на домашние задания должны быть краткими.

Домашняя работа № 2

Работа выполняется аналогично лекционному материалу. Необходимо учесть, что [H⁺]*[OH^-]=14, т.е. [OH^-]=14/[H⁺].

Вывод уравнение для расчета поправок на частичную диссоциацию оснований.

По условию: KatOH→Kat⁺+OH^-,

K_a=, [KatOH]_исх. = [KatOH] + [OH^-].

∆_∆G⁰=, таким образом ∆_∆G⁰=или

∆_∆G⁰=.

Ответ: ∆_∆G⁰=.

Вывод уравнение для расчета поправок для реакции катиона выполняется аналогично.

Курсовая работа

Курсовая работа составляется из трех задач.

Пример решения задачи приведен ниже.

Задача.

Определите ΔG⁰(СО₂), если известно, что при 30⁰С активность углекислого газа в насыщенном растворе составляет 5,3*10^-4моль/моль, а при аэрировании воды газовой смесью с Р(СО₂)=0,05 атм ΔĞ⁰(СО₂)= -382,9 кДж/моль.

Решение:

Исходя из условий задачи можно записать уравнение, которое соответствует ΔĞ⁰(СО₂):

ΔĞ⁰(СО₂) = ΔG⁰(СО₂) +RTLn(0,05/1) +RTLn(1/5,3*10^-4), тогда

ΔG⁰(СО₂) = ΔĞ⁰(СО₂) –RTLn(0,05*1/1*5,3*10^-4),

ΔG⁰(СО₂) = -382,9*1000 – 8,31*303*Ln(0,05*1/1*5,3*10^-4),

ΔG⁰(СО₂) = -394348,78 Дж/моль.

Ответ: ΔG⁰(СО₂) = -394348,78 Дж/моль.

Контрольная работа № 1

Контрольная работа состоит из двух теоретических вопросов и одной задачи, аналогичной приведенной ниже.

Задача.

а) Рассчитайте, может ли при 300 К самопроизвольно (ΔĞ'<0) протекать реакция глюкоза+НРО₄^2-→глюкозо-6-фосфат+Н₂Опри физиологических концентрациях (глюкоза-0,01моль/л, НРО₄^2--0,003моль/л, глюкозо-6-фосфат-0,005моль/л), если известно, что рН=7, а К_а диссоциации Н₃РО₄составляют: для первой ступени 10^-2,1, для второй – 10^-7,2, для третьей – 10^-12,4; Ка₁(глюкозо-6-фосфат) = 10^-1,21, Ка₂(глюкозо-6-фосфат) = 10^-6,24. ΔĞ⁰реакции глюкоза + Н₃РО₄→глюкозо-6-фосфат+Н₂О равно 13,4 кДж/моль.

б) При каких условиях в расчетах необходимо было бы учитывать диссоциацию аниона НРО₄^2-.

Решение:

а) Необходимо рассчитать для реакции:

глюкоза + НРО₄^2- → глюкозо-6-фосфат + Н₂О.

, где

- поправка на реакцию анионаНРО₄^2- (поскольку анион слева, то поправка принимается с отрицательным знаком),

- поправка на диссоциациюглюкозо-6-фосфат,

- поправка на физиологические концентрации.

, следовательно, данная реакция не может протекать самопроизвольно при рассматриваемых условиях.

б) Диссоциацию аниона НРО₄^2-необходимо было бы учитывать при рН близких к 12-13, так как при рН 7

. Но настоящая реакция не реализуема в сильно щелочных областях.

Ответ: а) самопроизвольно реакция протекать не будет; б) диссоциацию аниона необходимо учитывать только в сильно щелочных областях рН.

Домашняя работа № 3: «Составление материального баланса культивирования микроорганизмов»

Используя данные, соответствующие вашему варианту и приведенные в таблице, составьте уравнение реакции катаболизма, анаболизма, брутто-реакции при аэробном культивировании биомассы «А» на питательной среде, содержащей в качестве источника азота NH₄OH, углерода – «Б», а состав получаемой биомассы – «В». Если известно, что при культивировании данного штамма микроорганизма на питательной среде, содержащей в качестве источника азота NH₄OH, углерода – глюкозу экономический коэффициент составляет «Г». При решении задачи в качестве допущения примите, что энергия диссипации при культивировании микроорганизмов не зависит от источника углерода, а определяется только видом микроорганизма. Для решения задачи воспользуйтесь справочными данными термодинамических величин.

№ варианта	«А»	«Б»	«В»	«Г»
2	Дрожжи	н-С2Н5ОН	C0,460H0,068N0,088O0,331	0,40

Решение:

1. Составим уравнение анаболизма культивирования дрожжей на глюкозе.

C₆H₁₂O₆ + NH₄OH → C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + O₂ + H₂O

Уравняем углерод с левой и правой стороны в уравнении реакции. Поскольку в приведенной формуле состава биомассы нижние индексы соответствуют массовым долям элементов в составе биомассы, а расчеты необходимо выполнять на 1 г АСБ (абсолютно сухой биомассы), то

в 1 г АСБ: m(С)=0,460 г,

m(Н)=0,068 г,

m(N)=0,088 г,

m(O)=0,331 г.

Определим коэффициент, который необходимо поставить перед глюкозой (расчеты производятся с точностью до пятого знака после запятой):

, гдеAr_C – относительная атомная масса углерода, 6 - количество атомов углерода в 1 моль глюкозы. Таким образом

0,00639 C₆H₁₂O₆ + NH₄OH → C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + O₂ + H₂O.

Аналогично определяем коэффициент перед аммиаком:

.

0,00639 C₆H₁₂O₆ + 0,00629 NH₄OH → C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + O₂ + H₂O.

При уравнивании водорода учитываем водород во всех соединениях и определяем коэффициент перед водой.

.

0,00639 C₆H₁₂O₆ + 0,00629 NH₄OH → C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + O₂ + 0,02006 H₂O.

Определим коэффициент перед кислородом:

.

Уравнение анаболизма:

0,00639 C₆H₁₂O₆ + 0,00629 NH₄OH → C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + 0,00194 O₂ +

+ 0,02006 H₂O

Составим уравнение катаболизма. Исходя из экономического коэффициента определим количество глюкозы, которое пошло на катаболизм.

, тогда, а, следовательно

моль (180 – молярная масса глюкозы).

Уравнение катаболизма:

0,00750 C₆H₁₂O₆ + 0,04500 О₂ → 0,04500 CO₂ + 0,04500 H₂O.

Брутто-реакция:

0,01389 C₆H₁₂O₆ + 0,00629 NH₄OH + 0,04306 О₂ → C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 +

+ 0,04500 CO₂ + 0,06506 H₂O.

Рассчитаем ∆G_{брутто-реакции} (∆G(NH₄OH) – принебрегаем в соответствии с правилами стехиометрических расчетов):

Из справочника:

ΔG⁰_образ (СО₂)_газ= -394,37 кДж/моль,

ΔG⁰_образ (Н₂О)_жид= -237,23 кДж/моль,

ΔG⁰_образ (C₆Н₁₂О₆)р-р= -916,67 кДж/моль. Тогда

2. Составим уравнение анаболизма культивирования дрожжей на этаноле (аналогично описанному ранее).

0,01917 C₂H₅OН + 0,00629 NH₄OH + 0,03447 O₂ → C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 +

+ 0,03924 H₂O

Составим уравнение катаболизма, поскольку экономический коэффициент неизвестен, примем, что на реакцию будет израсходовано х моль этанола:

х C₂H₅OН + 2х О₂ → 2х CO₂ + 3х H₂O.

Брутто-реакция:

(0,01917+2х) C₂H₅OН + 0,00629 NH₄OH + (0,03447+2х) O₂ →

→ C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + 2х CO₂ + (0,03924+3х) H₂O

Рассчитаем ∆G_{брутто-реакции} (∆G(NH₄OH) – принебрегаем в соответствии с правилами стехиометрических расчетов):

Из справочника:

ΔG⁰_образ (СО₂)_газ= -394,37 кДж/моль,

ΔG⁰_образ (Н₂О)_жид= -237,23 кДж/моль,

ΔG⁰_образ (C₂H₅ОН)= -174,15 кДж/моль

По условию задачи энергия диссипации при культивировании микроорганизмов не зависит от источника углерода, а определяется только видом микроорганизма. Это позволяет нам приравнять ∆G одной и другой брутто-реакций. Тогда

, а следовательно х=0,01256.

Уравнение катаболизма:

0,01256 C₂H₅OН + 0,02512 О₂ → 0,02512 CO₂ + 0,03768 H₂O.

Брутто-реакция:

(0,04429 C₂H₅OН + 0,00629 NH₄OH + 0,05959 O₂ →

→ C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + 0,02512 CO₂ + 0,07692 H₂O.

Ответ:

уравнение анаболизма: 0,01917 C₂H₅OН + 0,00629 NH₄OH + 0,03447 O₂ → C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + 0,03924 H₂O,

уравнение катаболизма: 0,01256 C₂H₅OН + 0,02512 О₂ → 0,02512 CO₂ +

+ 0,03768 H₂O,

брутто-реакция: (0,04429 C₂H₅OН + 0,00629 NH₄OH + 0,05959 O₂ →

→ C_0,460H_0,068N_0,088O_0,331 + 0,02512 CO₂ + 0,07692 H₂O.

Самостоятельная работа: «Составление материального баланса сбраживания углеводов микроорганизмами»

Используя данные, соответствующие вашему варианту и приведенные в таблице, составьте уравнение реакции катаболизма, анаболизма, брутто-реакции, при анаэробном культивировании биомассы «А» на питательной среде, содержащей в качестве источника азота NH₄OH, углерода – глюкозу, если известно, что Y= «Б», а брожение осуществляется по «В» пути, состав получаемой биомассы – «Г».

№ варианта	«А»	«Б»	«В»	«Г»
2	Дрожжей	0,05	Спиртовому	СН1,78N0,16О0,54

Решение:

Составим уравнение анаболизма культивирования дрожжей на глюкозе.

C₆H₁₂O₆ + NH₄OH → СН_1,78N_0,16О_0,54+ O₂ + H₂O

Уравняем углерод с левой и правой стороны в уравнении реакции. Поскольку состав биомассы приведен из расчета на один атом С, предварительно вычислим молярную массу АСБ.

М(АСБ)=1*12+1,78*1+0,16*14+0,54*16=24,66 г/моль.

Поскольку расчеты необходимо выполнять на 1 г АСБ (абсолютно сухой биомассы), то перед АСБ поставим коэффициент равный 1/М(АСБ)=1/24,66=0,04055.

C₆H₁₂O₆ + NH₄OH → 0,04055 СН_1,78N_0,16О_0,54+ O₂ + H₂O

Определим коэффициент, который необходимо поставить перед глюкозой (расчеты производятся с точностью до пятого знака после запятой):

0,04055/6=0,00676, где 6 - количество атомов углерода в 1 моль глюкозы. Аналогично определяем коэффициент перед аммиаком. Таким образом

0,00676C₆H₁₂O₆ + 0,00649 NH₄OH → 0,04055 СН_1,78N_0,16О_0,54+ O₂ + H₂O

При уравнивании водорода учитываем водород во всех соединениях и определяем коэффициент перед водой.

(0,00676*12+0,00649*5-0,04055*1,78)/2=0,02070

0,00676C₆H₁₂O₆ + 0,00649 NH₄OH → 0,04055 СН_1,78N_0,16О_0,54+ O₂ +

+ 0,02070 H₂O

Определим коэффициент перед кислородом:

(0,00676*6+0,00649*1-0,04055*0,54-0,02070*1)/2=0,00223.

Уравнение анаболизма:

0,00676 C₆H₁₂O₆ + 0,00649 NH₄OH → 0,04055 СН_1,78N_0,16О_0,54+ 0,00223 O₂ +

+ 0,02070 H₂O.

Составим уравнение катаболизма. Исходя из экономического коэффициента определим количество глюкозы, которое пошло на катаболизм.

, тогда, а, следовательно

моль (180 – молярная масса глюкозы).

Но поскольку в анаболизме кислород выделяется, а процесс, как указано в условии, анаэробный, то реакций катаболизма будет две. В первом уравнении кислород (0,00223 моль) будет расходоваться:

0,00037 C₆H₁₂O₆ + 0,00223 О₂ → 0,00223 CO₂ + 0,00223 H₂O.

Таким образом ∆S_{катаболизм}, которое пойдет на образование спирта составит

0,10435-0,00037=0,10398 моль.

0,10398 C₆H₁₂O₆ → 0,20796 С₂Н₅ОН + 0,20796 CO₂

Суммарное уравнение катаболизма:

0,00037 C₆H₁₂O₆ + 0,00223 О₂ → 0,20796 С₂Н₅ОН + 0,21019 CO₂ + 0,00223 H₂O.

Брутто-реакция:

0,10435 C₆H₁₂O₆ + 0,00649 NH₄OH → 0,04055 СН_1,78N_0,16О_0,54 +

+ 0,20796 С₂Н₅ОН + 0,21019 CO₂ + 0,02293 H₂O.

Ответ: уравнение анаболизма: 0,00676 C₆H₁₂O₆ + 0,00649 NH₄OH →

→ 0,04055 СН_1,78N_0,16О_0,54+ 0,00223 O₂ + 0,02070 H₂O,

уравнение катаболизма: 0,00037 C₆H₁₂O₆ + 0,00223 О₂ → 0,20796 С₂Н₅ОН +

+ 0,21019 CO₂ + 0,00223 H₂O,

брутто-реакция: 0,10435 C₆H₁₂O₆ + 0,00649 NH₄OH →

→ 0,04055 СН_1,78N_0,16О_0,54 + 0,20796 С₂Н₅ОН + 0,21019 CO₂ + 0,02293 H₂O.

Контрольная работа № 2

Контрольная работа состоит из одного теоретического вопроса и одной задачи, решение которой аналогично решению задач домашней работы № 3 и задачи самостоятельной работы.