Физико-химические основы биоэнергетики и кинетики биохимических реакций

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения Российской Федерации

 

Фармацевтический факультет

 

Кафедра химии

 

 

 

Р Е Ф Е Р А Т

 

по дисциплине:

МЕДИЦИНСКАЯ ХИМИЯ

 

 

на тему:

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

БИОЭНЕРГЕТИКИ И КИНЕТИКИ

БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка 4 курса , 4 группы

Шагрудинова Р.С.

 

 

 

Ростов-на-Дону, 2014

                                       Содержание:

1.Предмет термодинамики.

2.Термодинамические системы.

3.Термодинамические функции.

4. Первый закон термодинамики.

5. Природа теплового эффекта. Термодинамические уравнения. Законы  термохимии.

6.Второй закон термодинамики.

7.Уравнение Гиббса.

8.Зависимость скорости  реакции от концентрации реагирующих  веществ.

9.Закон действия масс.

10.Молекулярность и порядок  реакции.

11.Простые и сложные  реакции.

12.Зависимость скорости  реакции от температуры.

13.Катализ. Виды катализа.

14.Особенности ферментов  как белковых катализаторов.

15.Химическое равновесие.

16.Константа равновесия.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Предмет термодинамики.  

Само название предмета нашего изучения указывает на истоки этой науки, занимавшейся первоначально изучением теплоты. В дальнейшем, однако, термодинамика включила в себя изучение превращений энергии во всех ее формах. Основоположниками термодинамики по праву считают следующих исследователей.

-         Никола Леонард Сади Карно (1796 г.) – французский инженер, проанализировавший условия совершенствования паровых машин и обобщивший результаты своих исследований в книге «Размышления о движущей силе огня» в 1824 г. Работы Карно легли в основу II начала термодинамики – великого закона Природы.

-         Джеймс Прескотт Джоуль (1818 г.) — английский ученый, чьими исследованиями экспериментально было показано, как работа переходит в теплоту. Именно Джоуль показал, что теплота и работа — это лишь два различных способа передачи энергии, т.е. в определенном смысле они эквивалентны, измерять их можно одними и теми же энергетическими единицами.

-         Уильям Томсон (он же лорд Кельвин, 1824 г.) — также английский ученый, прекрасно сочетавший в себе способности теоретика и экспериментатора. Знаменитая работа Кельвина «К динамической теории теплоты» (1851 г.) положила начало термодинамике как науке.

-         Немецкий ученый Рудольф Готтлиб (1822 г.), взявший себе впоследствии латинскую фамилию Клаузиус (под которой он нам и известен). В работе Клаузиуса «О движущей силе теплоты» (1850 г.) был сделан вывод о том, что в Природе существуют два основополагающих принципа, два закона, которые мы теперь называем I и II начала термодинамики.

Чаще всего говорят, что в основе термодинамики лежат два основных закона: I и II начала. Первым по времени было установлено как раз второе, а затем первое. Однако физики решили, что по логике изложения основ данной науки впереди должен быть еще один — его назвали нулевым законом (т.к. номер первый был уже занят), а затем обосновали еще и третий закон термодинамики. Итак, законов получилось четыре. Подробнее всего мы будем изучать первый и второй - исходя из практических потребностей. А пока вкратце охарактеризуем  каждый из четырех законов, четырех начал термодинамики.

 

Нулевое начало термодинамики понадобилось для того, чтобы дать логическое обоснование введению понятия «температура» физических тел. Первое начало — это закон сохранения энергии в применении к тепловым процессам, и кратко его можно сформулировать так «Энергия сохраняется». Второе начало устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, или однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных (или спонтанных) процессов.

Третье начало термодинамики касается свойств веществ при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до температуры абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. Это утверждение базируется уже на атомном строении вещества.

2. Термодинамические системы.

Термодинамическая система - это процесс или среда, которая используется при анализе передачи энергии. Термодинамическая система — это любая зона или пространство, ограниченное действительными или воображаемыми границами, выбранными для анализа энергии и ее преобразования. Границы ее могут быть неподвижными или подвижными.

Пространство, смежное с границей, называется средой. У всех термодинамических систем есть среда, которая может являться источником теплоты или забирать ее. Среда может также проделать работу над системой или испытывать на себе работу системы.

Системы могут быть большими или маленькими, в зависимости от границ. Например, система может охватывать всю холодильную систему или газ в одном из цилиндров компрессора. Она может существовать в вакууме или может содержать несколько фаз одного или более веществ. Следовательно, действительные системы могут содержать сухой воздух и водяной пар (два вещества) или воду и водяной пар (две стадии одного и того же вещества). Однородная система состоит из одного вещества, одной его фазы или однородной смеси нескольких компонентов.

Системы бывают замкнутыми или открытыми. В замкнутой только энергия пересекает ее границы. Следовательно, теплота может переходить через границы замкнутой системы в среду или из среды в систему.

В открытой системе и энергия, и масса могут переходить из системы в среду и обратно. При анализе насосов и теплообменников необходима открытая система, так как жидкости должны пересекать границы при анализе.

Состояние термодинамической системы определяется физическими свойствами вещества. Температура, давление, объем, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия — это свойства, определяющие состояние, при котором существует вещество. Так как состояние системы - это состояние равновесия, его можно определить, только когда свойства системы стабилизированы и больше не изменяются.

3. Термодинамические функции.

Все расчеты в термодинамике основываются на использовании функций состояния, называемых термодинамическими функциями. Каждому набору независимых параметров соответствует своя термодинамическая функция. Изменения функций, происходящие в ходе каких-либо процессов, определяют либо совершаемую системой работу, либо получаемую системой теплоту.

Термодинамические функции являются функциями состояния. Поэтому приращение любой из функции равно полному дифференциалу функции, которой она выражается. Полный дифференциал функции f(x,у) переменных х и у определяется выражением

                                   (1)

Поэтому, если в ходе преобразований мы получим для приращения некоторой величины f выражение вида

                                           (2)

можно утверждать, что эта величина является функцией параметров и , причем функции и представляют собой частные производные функции :

                           (3)

При рассмотрении термодинамических функций мы будем пользоваться неравенством Клаузиуса, представив его в виде

                                         (4)

Знак равенства относится к обратимым, знак неравенства - к необратимым процессам.

4. Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Он показывает, от каких причин зависит изменение внутренней энергии. 
   Закон сохранения энергии. К середине XIX в. многочисленные опыты доказали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно. На основании множества подобных наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии: 
   Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. 
   Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями природы и связывает их воедино. Он всегда выполняется абсолютно точно, неизвестно ни одного случая, когда бы этот великий закон не выполнялся. 
   Этот закон был открыт в середине XIX в. немецким ученым, врачом по образованию Р. Майером (1814-1878), английским ученым Дж. Джоулем (1818-1889) и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца (1821-1894). 
   Первый закон термодинамики. Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики. 
   В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого тела. 
   До сих пор мы рассматривали процессы, в которых внутренняя энергия системы изменялась либо за счет совершения работы, либо за счет теплообмена с окружающими телами. 
   В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счет совершения работы, так и за счет передачи теплоты.

Первый закон термодинамики формулируется именно для таких общих случаев: 
   Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

 

   Если система  является изолированной, то работа  внешних сил равна нулю (А = 0) и система не обменивается теплотой с окружающими телами (Q = 0). В этом случае согласно первому закону термодинамики 

 или U1=U2. Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется). 
   Часто вместо работы A внешних тел над системой рассматривают работу A´ системы над внешними телами. Учитывая, что

 

  , первый закон  термодинамики (13.10) можно записать  так:

 

   Количество теплоты, переданное  системе, идет на изменение ее  внутренней энергии и на совершение  системой работы над внешними  телами. 
  

5. Природа теплового  эффекта химических реакций.   Термодинамические уравнения. Законы термохимии.

Любые химические процессы, а также ряд физических превращений веществ (испарение, конденсация, плавление, полиморфные превращения и др.) всегда сопровождаются изменением запаса внутренней энергии систем. Термохимия - это раздел химии, который занимается изучением изменения количества теплоты в ходе протекания процесса. Одним из основоположников термохимии является русский ученый Г. И. Гесс.

Тепловым эффектом химической реакции называется теплота, которая выделяется или поглощается в ходе химической реакции. Стандартным тепловым эффектом химической реакции называется теплота, которая выделяется или поглощается в ходе химической реакции при стандартных условиях. Все химические процессы можно разделить на две группы: экзотермические и эндотермические.

Экзотермические - это реакции, при которых происходит выделение теплоты в окружающую среду. При этом запас внутренней энергии исходных веществ (U1) больше, чем образующихся продуктов (U2). Следовательно, ∆U< 0, а это приводит к образованию термодинамически устойчивых веществ.

Эндотермические - это реакции, при которых происходит поглощение теплоты из окружающей среды. При этом запас внутренней энергии исходных веществ (U1) меньше, чем образующихся продуктов (U2). Следовательно, ∆U > 0, а это приводит к образованию термодинамически неустойчивых веществ. В отличие от термодинамики, в термохимии выделяемую теплоту считают положительной, а поглощаемую – отрицательной. Теплота в термохимии обозначается Q. Единица измерения теплоты – Дж/моль или кДж/моль. В зависимости от условий протекания процесса, различают изохорный и изобарный тепловые эффекты.

Изохорным (QV) тепловым эффектом называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе данного процесса при постоянном объеме (V = const) и равенстве температур конечного и начального состояния (Т1 = Т2).

Изобарным (Qр)тепловым эффектом называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе данного процесса при постоянном давлении (р = const) и равенстве температур конечного и начального состояния (Т1 = Т2).

Для жидких и твердых систем изменение объема мало и можно принять, что Qр » QV. Для газообразных систем

Qр = QV – ∆nRТ, (4.3)

где ∆n – изменение числа молей газообразных участников реакции

∆n = ånпрод. реакции – ånисх. веществ. (4.4)

Во всех случаях преобразование части внутренней (химической) энергии в тепловую (или другие виды) и наоборот, тепловой в химическую происходит в строгом соответствии с законом сохранения энергии и первым законом термодинамики.

В термохимии принято использовать термохимические уравнения - это уравнения химических реакций, в которых в левой части равенства приведены исходные вещества, а в правой – продукты реакции плюс (или минус), тепловой эффект, а также показано агрегатное состояние веществ и их кристаллические формы :

С графит + О2 = СО2 (г) + 393,77 кДж

Н2 + 1/2О2 = Н2О (ж) + 289,95 кДж

С (алмаз) + 2S(ромб) = CS2 (г) – 87,9 кДж

С термохимическими уравнениями можно производить все алгебраические действия: складывать, вычитать, умножать, переносить члены и т.д.

Тепловые эффекты многих химических и физических процессов определяют опытным путем (калориметрия) или рассчитывают теоретически, используя величины теплот образования (разложения) и теплот сгорания тех или иных химических соединений.

Теплотой образования данного соединения называется количество выделяющейся или поглотившейся теплоты при образовании 1 моля его из простых веществ в кДж. Теплоты образования простых веществ, находящихся при стандартных условиях в устойчивом состоянии, принимают за нуль.

Теплотой сгорания называется теплота, выделяющаяся при полном сгорании 1 моля вещества в токе кислорода. Теплоты сгорания определяют на калориметрической установке, основными частями которой являются: баллон с кислородом, калориметрическая бомба, калориметр с отвешенным количеством воды и мешалкой и зажигающее электрическое устройство.

Величины тепловых эффектов химических реакций зависят от многих факторов: от природы реагирующих веществ, агрегатного состояния начальных и конечных веществ, условий проведения реакции (температуры, давления, объема систем, концентрации).

Первый закон термохимии (Лавуазье и Лаплас, 1780—1784):

тепловой эффект образования данного соединения в точности равен, но обратен по знаку тепловому эффекту его разложения.