Тема 7. Тепловые эффекты химических реакций. Химическая термодинамика.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Все химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами: выделением или поглощением тепла, света, 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 описывающий процессы, протекающие в живых организмах. Живая клетка организма в целом является открытой термодинамической системой, в которую беспрерывно поступают и выводятся вещества, осуществляется обмен энергией с окружающей средой.

В последние годы методы биоэнергетики применяются при исследовании таких биохимических процессов, как тканевое дыхание, фотосинтез, гликолиз, при изучении физиологических процессов на клеточном уровне. Сравнение биоэнергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний на ранних стадиях.

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

ОБЩАЯ ЦЕЛЬ.

Уметь трактовать химические и биохимические процессы с позиции тепловых эффектов и использовать термодинамические функции для определения направления процессов.

КОНКРЕТНЫЕ ЦЕЛИ.

УМЕТЬ:

5. Интерпретировать энергетику химических и фазовых преобразований; термодинамические понятия: система, состояние, свойства, параметры и функции состояния; термодинамические процессы.

6. Интерпретировать законы термодинамики и термохимии (I, II законы, закон Гесса).

7. Интерпретировать уменьшение функции состояния, как условие и критерий протекания самопроизвольного процесса, который идет с выделением энергии.

8. Интерпретировать использование термохимических расчетов для энергетической характеристики и направления протекания биохимических процессов.

9. Трактовать роль химической термодинамики и энергетики в биологических системах и медицинской практике.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

1. Энергетика химических и фазовых преобразований. Термодинамические системы, параметры и функции состояния. Термодинамический процесс.

2. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия и энтальпия. Тепловой эффект изохорного и изобарного процессов.

3. Термохимические уравнения, их особенности. Закон Гесса и следствия из него.

4. Термохимические расчеты для энергетической характеристики биохимических процессов и оценки калорийности продуктов питания.

5. Второй закон термодинамики. Энтропия, как мера неупорядоченности системы. Уравнение Больцмана. Термодинамические потенциалы: энергия Гиббса, энергия Гельмгольца.

6. Термодинамические условия равновесия. Критерии направления самопроизвольно протекающих процессов.

7. Термодинамика открытых систем. Экзэргонические и эндэргонические процессы в организме. Макроэргические соединения.

 

 

Основная литература.

1. Медицинская химия: учебник. Калибабчук В.А., Грищенко Л.И., Галинская В.И. и др. – К.: Медицина, 2008. – С. 59-80.

НАБОР ЗАДАНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

Задание 1.

Термодинамика изучает свойства различных термодинамических систем и происходящие в них процессы. Определите систему, осуществляющую обмен с другими системами только энергией.

A. Изолированная

B. Закрытая

C. Равновесная

D. Открытая

E. Гетерогенная

 

Задание 2.

Все биохимические процессы в организме человека протекают при постоянном давлении. Укажите тип такого процесса.

A. Изотермический

B. Изохорный

C. Изобарный

D. Равновесный

E. Адиабатический

 

Задание 3.

Первый закон термодинамики является отображением всеобщего принципа сохранения энергии. Укажите математическое выражение этого закона.

A. ΔH = ΔН₁ + ΔН₂

B. Q = DU + A

C. ΔG = ΔH - TΔS

D. ΔS = ΔQ/T

E. ΔG = ΔG° + R T lnKp

 

Задание 4.

Закон Гесса позволяет рассчитывать тепловые эффекты реакций, протекающих в животных и растительных организмах. Укажите уравнение, отвечающее следствию из данного закона.

A. Q = DU + A

B. DH = DU + A

C. S = DQ/T

D. DH_{реакции} = åDH_прод - åDН_исх.

E. S = k ln W

 

Задание 5.

В реальных системах термодинамический процесс может сопровождаться как увеличением, так и уменьшением энтропии. Укажите, в каком из процессов энтропия уменьшается.

A. Плавления

B. Испарения

C. Полимеризации

D. Диссоциации

E. Возгонки

 

Задание 6.

Необратимые процессы старения организма связаны с изменением энтропии. Укажите тип данной энергии.

A. Связанная

B. Внутренняя

C. Свободная энергия Гиббса

D. Рассеянная

E. Полная энергия системы

 

Задание 7.

Изменение свободной энергии Гиббса (DG) - это максимальная работа, которую организм выполняет за определенное время. Укажите уравнение, при помощи которого можно рассчитать данную термодинамическую функцию.

A. DG = TDS - DH

B. DG = TDS + DH

C. DG = DU - DH

D. DG = DH - DU

E. DG = DH - TDS

 

Задание 8.

Перекись водорода, применяемая в медицинской практике в качестве антисептика, неустойчивое соединение, медленно разлагающееся под действием света. Укажите термодинамическую функцию, которая может служить критерием данного процесса при постоянной температуре и давлении.

A. Энтальпия

B. Энергия Гельмгольца

C. Энергия Гиббса

D. Энтропия

E. Внутренняя энергия

Задание 9.

В биоэнергетике при изучении биохимических реакций принято пользоваться значениями ΔG° при рН = 7. Процессы дыхания, усвоения пищи протекают при ΔG < 0. Укажите общее название таких процессов.

A. Эндэргонические

B. Гомогенные

C. Обратимые

D. Экзэргонические

E. Эндотермические

 

Задание 10.

Рассчитайте тепловой эффект реакции окисления глюкозы, протекающей по уравнению:

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ =6 СО₂ + 6 Н₂О

Если известно, что стандартные теплоты образования веществ равны:

ΔН⁰ (С₆Н₁₂О₆) = -1273 кДж/моль, ΔН⁰ (О₂) = 0 кДж/моль,

ΔН⁰ (СО₂) = -393 кДж/моль, ΔН⁰ (Н₂О) = --286 кДж/моль

Эталоны ответов: 1 – B, 2 – C, 3 – В, 4 – D, 5 – C, 6 – A, 7 – E, 8 – C, 9 - D.