Лекция: Занятие №2

Тема: Строение вещества. Элементы химической термодинамики и биоэнергетики.

Значение темы: Изучение темы будет способствовать формированию способности анализировать социально-значимые проблемы и процессы, использовать на практике методы естественнонаучных, медико-биологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности, способности реализовать этические и деонтологические аспекты врачебной деятельности в общении с коллегами, способности выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, использовать для их решения соответствующий физико-химический и математический аппарат, способности к формированию системного подхода к анализу медицинской информации, основанной на поиске решений с использованием теоретических знаний и практических умений в целях совершенствования профессиональной деятельности.

Цель занятия: Студент должен

Знать:

ü правила техники безопасности и работы в химических лабораториях с реактивами, приборами.

ü физико-химическую сущность процессов, происходящих в живом организме на молекулярном, клеточном, тканевом, органном уровнях;

Уметь:

ü пользоваться физическим, химическим оборудованием;

ü прогнозировать направление и результат физико-химических процессов и химических превращений биологически важных веществ;

ü выполнять термохимические расчеты, необходимые для составления энергоменю, для изучения основ рационального питания;

Вопросы для изучения темы

1. Термодинамика, основные понятия и задачи. Параметры состояния (экстенсивные и интенсивные) и функции состояния системы.

2. Понятие внутренней энергии. Работа и теплота – две формы передачи энергии. Первое начало термодинамики. Изохорные и изобарные процессы. Тепловой эффект химической реакции. Энтальпия как функция состояния системы. Эндотермические и экзотермические процессы.

3. Первое начало термодинамики для изобарных процессов. Закон Гесса. Термохимические расчеты и их использование для энергетической характеристики химических и биохимических процессов. Стандартные энтальпии образования и сгорания. Следствия из закона Гесса.

4. Энергетическая ценность пищевых продуктов, обоснование рационов питания, основные задачи биоэнергетики.

5. Второе начало термодинамики, вклад С. Карно и Р. Клаузиуса. Энтропия как функция состояния системы. Критерии самопроизвольно протекающих процессов в изолированных системах. Связь энтропии с вероятностью состояния системы.

6. Применение первого и второго начала термодинамики к живым организмам. Математическое выражение второго начала термодинамики для открытых систем. Энергия Гиббса как функция состояния системы и критерий направленности процессов. Условия возможности протекания реакций в прямом направлении. Математическое выражение, связывающее изменение энергии Гиббса с изменениями энтальпии и энтропии. Расчет изменения энергии Гиббса по следствиям закона Гесса.

7. Экзергонические и эндергонические реакции. Понятие о сопряженных процессах. Коэффициент полезного действия биохимических процессов.

Вопросы для самоконтроля знаний

Дополните фразы:

Химическая термодинамика изучает….

Открытой системой называют такую систему, которая……..

Экстенсивными называют параметры термодинамической системы, величина которых………….

Функциями состояния называют такие величины, которые……….

Интенсивными являются параметры:………………

Формы обмена энергией между системой и окружающей средой — …………

Процессы, протекающие при постоянной температуре, называются………

Процессы, протекающие при постоянном давлении, называются………

Внутренняя энергия системы – это…………

Закон, отражающий связь между работой, теплотой и внутренней энергией — ………….

Тепловой эффект реакции, протекающий при постоянном объеме, называется изменением………

Энтропия реакции – это………….

Химические процессы, при протекании которых происходит уменьшение энтальпии системы и во внешнюю среду выделяется теплота, называются…………

Процесс называют эндотермическим, если………..

Закон Гесса имеет следующую формулировку:………….

При окислении 1г улеводов выделяется………ккал, белков……… ккал, жиров…….ккал.

Функцией состояния, характеризующей тенденцию системы к достижению вероятного состояния, является………….

Критерием направленности процесса в изолированной системе является………..

Математическое выражение 2-го начала термодинамики для изолированных систем:……….

Ситуационные задачи

1. Пероксид водорода используется в медицине для обработки ран в виде раствора с массовой долей 3%. Докажите, что процесс разложения пероксида водорода в присутствии фермента каталазы является самопроизвольным, используя при этом значения: S0298(Н2О2) = 110 Дж/моль·К, S0298(Н2О) = 70 Дж/моль·К, S0298(О2) = 205 Дж/моль·К.

2. На испарение 1 моля воды требуется 40 кДж. Сколько теплоты будет потеряно за день при выделении через кожу 720 г воды?

3. Рассчитайте стандартную энергию Гиббса для процесса окисления глюкозы по следующим данным: ∆Н0обр(С6Н12О6) = -1264,4 кДж/моль, ∆Н0обр(СО2) = -393 кДж/моль, ∆Н0обр(Н2О) = -286 кДж/моль. Изменение энтропии всей реагирующей системы равно 0,259 кДж/моль.

4. Рассчитайте стандартную энтропию реакции: глицин + глицин = глицилглицин. Если S0298(глицилглицина) = 231 Дж/моль·К, S0298(глицина) = 159 Дж/моль·К, S0298(Н2О) = 70 Дж/моль·К.

5. Почему реакция окисления глюкозы до глюкозы-6-фосфат, являясь эндергонической, протекает в организме в прямом направлении?

6. В организме человека реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Первая – окисление этилового спирта до уксусного альдегида с участием фермента алкогольдегидрогеназы протекает по уравнению: С2Н5ОН + 1/2О2 = СН3СОН + Н2О. Рассчитайте ΔНр-ии, используя первое следствие закона Гесса.

7. Найти изменение внутренней энергии при испарении 90 г воды при температуре ее кипения. Теплота парообразования воды равна 40714 Дж/моль, Удельный объем жидкого пара 1,699 л/г. Давление нормальное.

8. Теплота сгорания углеводов, белков и жиров составляет 17; 17 и 39 кДж/г. Среднесуточная потребность в белках, жирах и углеводах для студентов – мужчин составляет 113; 106 и 451 г. Какова суточная потребность студентов – мужчин в энергии?

9. Почему процесс денатурации белка трипсина при 500С является самопроизвольным, хотя тепловой эффект реакции равен 2725 Дж/моль? Изменение энтропии для данной реакции 8,8 Дж/моль·К.

10. Теплота сгорания глюкозы равна -2810 кДж/моль, теплота сгорания этилового спирта равна -1366 кДж/моль. На основании этих данных вычислите тепловой эффект биохимического процесса брожения глюкозы: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2.

11. Константа равновесия разложения лекарственного вещества в автоклаве при 413 К равна 0,396·105 Па, а при 443 К – 1,286·105 Па. Вычислить тепловой эффект реакции.

Лабораторная работа №2. «Определение теплоты реакций нейтрализации».

Цель.Приобрести навыки калориметрического определения теплот химических реакций и обработки, данных эксперимента. Проверить зависимость теплот реакций нейтрализации от природы реагирующих кислот и оснований.

Оборудование. Калориметр, мерные цилиндры, термометр, воронка, мешалка.

Реактивы.Растворы соляной кислоты, азотной кислоты, уксусной кислоты, гидроксида калия с концентрацией 1 моль/л.

Задание.Определить теплоту реакции нейтрализации кислоты раствором гидроксида калия для следующих пар кислота – основание: соляная кислота – гидроксид калия, азотная кислота – гидроксид калия, уксусная кислота – гидроксид калия.

Методика. Подготовьте для работы калориметр: проведите внешний осмотр его, чтобы убедиться в исправности всех деталей; ополосните дистиллированной водой стакан; проверьте работу мешалки и настройте ее. Запишите в лабораторном журнале исходные данные:

Масса внутреннего стакана калориметра m1, г

Объемы растворов реагирующих веществ V, мл

Концентрация растворов с, моль/л

Плотность растворов р, г/мл

Удельная теплоемкость растворов (воды) Ст(Н20) = 4,184 Дж/(г·К)

Удельная теплоемкость стекла Ст(ст)= 0,753 Дж/(г-К)

Мерными цилиндрами отмерьте равные объемы растворов кислоты и основания (0,03-0,10 л, по указанию преподавателя). Температуру одного из растворов, например основания, измерьте непосредственно в цилиндре термометром, вынутым из калориметра. После этого термометр ополосните дистиллированной водой и снова вставьте в калориметр. Раствор кислоты перелейте через воронку, в стакан калориметра и также запишите его температуру. Раствор щелочи быстро прилейте в калориметр к раствору кислоты, перемешайте в течение нескольких секунд и наблюдайте за столбиком ртути термометра. Запишите самое высокое показание. Повторите опыт с этой же парой кислоты и основания. Затем проведите по два параллельных опыта с другими парами кислота – основание. Полученные экспериментальные данные запишите в таблицу по форме:

Анализ результатов. Для вычисления по экспериментальным данным теплоты реакции нейтрализации сначала рассчитайте общую теплоемкость калориметра Cm, учитывая теплоемкость раствора и теплоемкость стакана:

Cm = Cm(cm)·m(cm) + Cm(H2O)·m(р-р)

где m(р-р) — масса раствора в калориметре, вычисляемая по объему раствора и плотности. Плотность может быть принята равной 1 г/мл.

Затем вычислите выделившуюся в калориметре теплоту Q = Cm·ΔT

Эта теплота постепенно по мере выравнивания температуры передается в окружающую среду и может быть принята равной по абсолютному значению изменению энтальпии системы (калориметра): ΔHк = -Q

Для расчета теплоты реакции ΔHр-янайденное значение теплоты необходимо пересчитать на 1 моль реагирующей кислоты или основания, что соответствует 1 моль образующейся воды:

где n(x) — количество одного из веществ, участвующих в реакции

Рассчитайте теоретическое значение стандартной энтальпии изученных реакций, используя термодинамические свойства веществ и сравните с полученными значениями. Найдите отклонения найденных значений от расчетных. Объясните вероятные причины отклонений. Укажите зависимость теплоты реакции от природы реагирующих кислот и оснований.

Рисунок 1. Схема калориметра.

Таблица 1. Термодинамические свойства некоторых веществ, применяемых в медицине

ΔH°298 — стандартная теплота образования вещества, кДж/моль

ΔG°298 — стандартное изменение энергии Гиббса при образовании сложного вещества из простых веществ, кДж/моль

S°298 — стандартная энтропия вещества, Дж/(моль∙К)

Сокращения, принятые в табл.: к — кристаллическое состояние, ж — жидкое, г — газообразной, aq -вещество (ион) в водном растворе.

Вопросы к защите работы.

1. Каковы основные источники ошибок в проведении эксперимента?

2. На какие промежуточные стадии можно разделить процесс нейтрализации слабой кислоты сильным основанием?

3. Чем объясняется постоянство стандартных теплот реакций нейтрализации для разных сильных кислот и оснований?

Основная литература:1-7.

Дополнительная литература:1-24.