Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по общей химии ставрополь 2005 удк 546(07. 07) Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по общей химии. / В. И. Гончаров, Л. И. Еременко, Т. А. Милащенко и др
Скачать 3.96 Mb.
|
| Тема: Элементы химической термодинамики Цель: Сформировать у студентов представление об основных законах и положениях термодинамики. Закрепить полученные знания термодинамическими расчетами и освоением методики выполнения лабораторных работ. 2. Основные вопросы темы:
Контроль на входе: фронтальный опрос (устно), решение задач, тестовый (письменно). 3. Лабораторные работы:
Контроль на выходе: уметь проводить самостоятельные расчеты предложенных преподавателем задач, показать преподавателю результаты лабораторных работ, уметь их объяснить. 7. Библиографический список:
2. Основные теоретические положения 2.1. Понятие о термодинамической системе Процессы жизнедеятельности на Земле обусловлены, в значительной мере, накоплением солнечной энергии в биогенных веществах (белках, жирах, углеводах) и последующими превращениями этих веществ в живых организмах с выделением энергии. С развитием термодинамики стало возможным количественно рассчитывать превращение энергии в биохимических реакциях и предсказывать их направление. Одним их основных понятий биохимической термодинамики является термодинамическая система. Термодинамическая система - тело или группа тел, отделенных от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела. В порядке усложнения биологических систем их можно расположить в следующий ряд: орга-нелла - клетка - ткань - орган - организм - популяция - биоценоз - биосфера. Если в качестве термодинамической системы рассматривать организм человека, то реальная физическая граница, отделяющая его от окружающей среды, представляет собой поверхность кожных покровов, слизистых оболочек пищеварительного тракта, альвеол легких, мембран нефронов. Термодинамические системы можно разделить на части. Если между частями системы не существует физических границ раздела, то такие системы называются гомогенными (однородными). Для гетерогенных систем характерно наличие границ раздела, на которых свойства системы резко меняются. Часть гетерогенной системы, имеющая физические границы раздела называются фазой. Таким образом, гомогенные системы являются однофазными, гетерогенные - двух фазными или многофазными. Большинство биологических систем относится к гетерогенным. Термодинамические системы могут обмениваться с окружающей средой веществом и энергией - это открытые системы или только энергией - закрытые системы. При построении теоретических моделей систем используют понятие -изолированные системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Все биологические системы являются открытыми. Состояние термодинамической системы определяется совокупностью ее физических и химических свойств, характеризующихся экстенсивными и интенсивными параметрами. Экстенсивные параметры зависят от количества вещества, находящегося в системе (масса, объем, энергия, теплоемкость). Значения интенсивных параметров от количества вещества в системе не зависят (температура, давление, плотность, концентрация). В ходе термодинамических процессов системы из одного состояния переходят в другое, характеризующиеся иным набором параметров. Различают следующие виды процессов:
Организм можно рассматривать как систему с изобарно-изотермическим протеканием процессов. Процессы, протекающие в живых организмах, с биохимической точки зрения, принято делить на катаболические (распад и окисление сложных химических соединений до углекислого газа, воды и мочевины) и анаболические (синтез веществ, обеспечивающих структурную целостность организма и его функций). 2.2. Первое начало термодинамики. Энтальпия Многие химические реакции протекают без поступления энергии извне. Такое течение реакций называют самопроизвольным. Однако существуют реакции, которые без внешнего энергетического воздействия не протекают - это несамопроизвольные реакции или вынужденные. Для решения вопроса самопроизвольного или вынужденного протекания того или иного процесса в химической термодинамике применяется набор функций состояния - параметров системы, изменения которых в ходе процесса зависят только от начального и конечного состояния системы и не зависят от пути перехода, т. е. от механизма процесса. Одной из термодинамических функций состояния является внутренняя энер гия U - запас энергии системы, слагающийся из кинетической энергии движения составляющих ее частиц (молекул, ионов, атомов, электронов) и потенциальной энергии их взаимодействия. Изменение внутренней энергии системы (AU) обусловлено работой (W), которая совершается при взаимодействии систем со средой и передачей теплоты (Q) между средой и системой. В живых системах работа совершается за счет энергии, выделяющейся в ката бол ических реакциях (окисление питательных веществ). Совершаемая работа может быть механической (перемещение организма в пространстве, движение отдельных частей тела), электрической (изменение электрических потенциалов на клеточных мембранах нервных и мышечных клеток), химической (многие анаболические реакции). Работу, производимую над системой, считают отрицательной величиной, а проводимую системой над окружающей средой - положительной величиной. Первое начало термодинамики определяет соотношение между внутренней энергией, теплотой и работой: AU=Q+W - приращение внутренней энергии системы AU в некотором процессе равно теплоте Q, полученной системой, плюс работа W, совершенная над системой в этом процессе. В биологических системах теплота обычно отдается системой во внешнюю среду, а работа совершается системой за счет убыли внутренней энергии, поэтому -AU=-Q-W Все величины в приведенных формулах измеряются в джоулях (Дж). В зависимости от условий протекания процесса в системе используются различные функции состояния, которые выводят из первого начала термодинамики. Например, в условиях изобарного процесса (р = const) работа определяется изменением объема системы: W=-pAV Подставляя это выражение в уравнение первого начала термодинамики и проведя несложные преобразования, получаем Qp= Ди + рди= (U +PV2) - (Uj+pVj) = Н2- нр где Qp - теплота изобарного процесса, H = U + pV - энтальпия, функция состояния системы. Значит последнее выражение можно записать в виде: Q = АН Энтальпия - функция состояния, приращение которой равно теплоте, полученной системой в изобарном процессе. 2.3. Закон Гесса и его следствия Раздел термодинамики, изучающий превращение энергии при химических реакциях, называется химической термодинамикой. Уравнение реакции, для которой указывается изменение энтальпии АН называется термодинамическим. Химические реакции, при протекании которых происходит уменьшение энтальпии системы (АН<0) и во внешнюю среду выделяется теплота, называются экзотермическими. Реакции, в результате которых энтальпия возрастает (АН>0) и система поглощает теплоту Qp извне, называются эндотермическими. Например: окисление глюкозы кислородом происходит с выделением большого количества теплоты (Q = -2800 кДж/моль), т. е. этот процесс - экзотермический. Соответствующее термохимическое уравнение запишется в виде: СД„О +60 = 6СО +6НО, АН=-2800кДж. 6 12 6 2 2 2 г ' Для многих реакций изменение энтальпии можно рассчитать с помощью стандартных справочных данных. Энтальпии образования простых веществ, устойчивых при 298 К и 101 кПа принимают равными нулю. Указанные условия в термодинамике называют стандартными. Основателем химической термодинамики считается русский ученый-химик Г. И. Гесс. Он сформулировал применимость первого начала термодинамики к химическим превращениям. Закон Гесса рассматривается как следствие первого начала термодинамики и читается так: Тепловой эффект реакции зависит только от природы и состояния исходных веществ и не зависит от пути, по которому реакция протекает. При термодинамических расчетах применяется не сам закон Гесса, а следствия из него. Первое следствие из закона Гесса: Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. Для реакции aA+bB=cC+dD АН0 =ZAH° к - ХАН0 к х.р. образ, про д. образ, исх. Второе следствие из закона Гесса: Тепловой эффект реакции сгорания равен сумме теплот сгорания исходных веществ за вычетом суммы теплот сгорания продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов. АН0 =£АН° - SAH0 р-и crop. crop.исх. сгор.прод. 2.4. Второе начало термодинамики. Энтропия Для формулировки второго начала термодинамики необходимо ввести понятия обратимого и необратимого процессов. Процесс называется термодинамически обратимым, если при переходе из начального состояния в конечное все промежуточные состояния оказываются равновесными. Обратимый процесс осуществим лишь при достаточно медленном изменении параметров системы - температуры, давления, концентрации вещества. Обратимый процесс на любом этапе можно заставить идти в обратном направлении, изменив внешние условия на очень малую величину. Следует отметить, что с обратимостью связана важная проблема медицины - консервация тканей при низких температурах. Максимальная работа Wmax при фиксированной убыли внутренней энергии достигается лишь в том случае, если процесс обратимый и при этом выделяется минимальное количество теплоты О W = AU - Q . max ^-mui Величину определяют на основе второго начала термодинамики с помощью термодинамической функции состояния, называемой энтропией. Термодинамическое определение энтропии ввел немецкий физик Р. Ю. Кла-узиус в 1850 году. Энтропия представляет собой функцию состояния, приращение которой AS равно теплоте Q^, подведенной к системе в обратимом изотермическом процессе, деленной на абсолютную температуру Т, при которой осуществляется процесс: AS=Q . /Т ^ mm Единица измерения энтропии в системе СИ: Дж/К. Можно рассчитать изменение энтропии при любых изотермических процессах, если известна теплота Q^, подводимая к системе или отводимая от нее при этих процессах. Эта теплота может быть определена с помощью калориметрических измерений. Таким образом, изменение энтропии также как и двух других функций состояния системы -внутренней энергии и энтропии представляет собой экспериментально определенную величину. Установлено, что любой самопроизвольный процесс может протекать в изолированной системе лишь в том случае, если он характеризуется увеличением энтропии: AS>0. В равновесии энтропия постоянна, AS = 0. Процесс, обратный самопроизвольному, в изолированной системе протекать не может, так как он характеризуется уменьшением энтропии. Следует напомнить, что процесс называется самопроизвольным, если он осуществляется без каких либо воздействий, когда система предоставлена сама себе. Увеличение энтропии (AS>0) характерно для многих реакций разложения, а также для фазовых переходов: твердое тело X жидкость; жидкость X газ. При плавлении льда энтропия системы увеличивается в 1,5 раза, а при переходе жидкости в пар - в 4 раза. Уменьшение энтропии происходит в ходе многих реакций соединения, а также при фазовых переходах: газ X жидкость; жидкость X твердое тело. Рассмотрение различных изолированных систем показывает, что самопроизвольные процессы всегда связаны с ростом числа микросостояний (w) системы. В этих же процессах происходит возрастание энтропии системы. Австрийский физик Р. Болыгман в 1872 году предложил соотношение S = к • In w, где к - постоянная Болыгмана, равная R/NA= 1,38* 10"23Дж/К. Он также дал молекулярно-кинетическое определение энтропии: Энтропия есть мера вероятности пребывания системы в данном состоянии или мера неупорядоченности системы. Однако применимость изменения энтропии как критерия направленности процессов ограничивается только изолированными системами. 2.5. Энергия Гиббса-критерий самопроизвольного протекания изобарно-изотермических процессов в закрытых системах Для неизолированных, т. е. закрытых и открытых систем изменение энтропии не является критерием самопроизвольности, поэтому вводится новая функция состояния - энергия Гиббса. Энергия Гиббса определяется через энтальпию Н и энтропию S с помощью соотношения: G = H-TS Если процесс протекает обратимо при постоянном давлении р и температуре Т (изобарно-изотермический процесс), то соответствующее приращение энергии Гиббса равно: AG = AH-TAS На основе определения энергии Гиббса второе начало термодинамики звучит следующим образом: При р, Т = const в системе самопроизвольно могут осуществляться такие процессы, в результате которых энергия Гиббса системы уменьшается (AG<0). В равновесии AG=const и равна 0, т. е. AG=0. Энергия Гиббса G также, как и энтальпия Н, является функцией состояния системы, поэтому изменение энергии Гиббса AG может использоваться для характеристики химических превращений. Химические реакции, при протекании которых происходит уменьшение энер гии Гиббса AG < 0 и совершается работа, называются экзэргоническими. Реакции, в результате которых энергия Гиббса возрастает AG>0, и над системой также совершается работа, называются эндэргоническими. Очевидно, что для реакций, характеризующихся АН<0 и AS >0, энергия Гиббса всегда будет убывать, т. е. AG<0, и такие реакции могут протекать самопроизвольно при любых температурах, т. к. оба фактора способствуют протеканию процесса. Пример такой реакции - гидролиз любого пептида. Наоборот, при АН > 0 и AS < 0 самопроизвольное течение реакций всегда невозможно, т. к. энергия Гиббса возрастает. Например, процесс фотосинтеза -образование глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды. 2.6. Принцип энергетического сопряжения Эндэргонические реакции могут протекать только при постоянном поступлении энергии извне. В биологической химии важную роль играет принцип энергетического сопряжения, заключающийся в том, что энергия, необходимая для протекания эндэргонической реакции, поступает за счет осуществления экзэрго-нической реакции, причем в этих двух реакциях присутствует общее вещество, называемое интермедиатом. В энергетическое сопряжение вступают реакции, характеризующиеся большой убылью энергии Гиббса, например, реакции гидролиза АТФ: АТФ+Н2О^АДФ+Н3Р04, AG°xp=-29,2 кДж/моль Гидролиз АТФ сопровождается в условиях организма переносом фосфата на другой субстрат: н он н он AG° = +13,1 кДж/моль Протекание второй реакции возможно только в результате энергетического сопряжения с экзэргонической реакцией, характеризующейся большой убылью энергии Гиббса. Суммарно протекающий процесс можно представить следующим образом: Глюкоза + АТФ —> глюкозо-6-фосфат + АДФ, AG° =-29,2 + 13,1=-16,1 кДж/моль. Интермедиатом в этой реакции является фосфорная кислота. |
Похожие:
 | Практикум по общей химии Москва 2013г Лабораторный практикум по общей химии Методическое пособие предназначено, в первую очередь, для студентов факультета инженерной механики, изучающих курс общей химии в... |  | Лабораторная работа эффект Мёссбауэра Зеленодольск 2007 Печатается... Методическое пособие предназначено для студентов третьего курса физико-математического факультета Зеленодольского филиала кгу, специализирующихся... |
| Методическое пособие для студентов геолого-географического факультета... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко | | Методическое пособие по курсу «Картография» для студентов специальностей... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... |
| Лекция 8 Географические атласы Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко | | В. Т. Жуков социально-экономическая картография Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко |
| Методическое пособие к теме "диаграмма состояния железо-углерод"... Методическое пособие разработано кандидатами химических наук, доцентами кафедры общей и неорганической химии С. Н. Свирской и И.... | | Лабораторная работа №1 Шатило С. П., Ковалев А. Ю. Методическое руководство к лабораторным работам по курсу «Технология конструкционных материалов» |
| Учебно-методическое пособие для студентов специальность 050144 Дошкольное... Данное учебно-методическое пособие адресовано студентам педагогического колледжа и имеет цель оказать помощь в подготовке к зачету... | | Учебно-методическое пособие Тольятти 2011 удк ббк ахметжанова Г.... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов магистров, обучающихся на педагогическом факультете тгу по направлению «Педагогика».... |
| Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по подготовке... Методическое пособие для самостоятельной работы для студентов по подготовке к контрольным и курсовым работам и рейтинг программа... | | 2 Естественные науки (естествознание) 20. 1 Человек и окружающая... Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... |
| Тема: «Форма и размеры Земли. Движение Земли. Смена дня и ночи» Учебно-методическое пособие разработано доцентом кафедры общей географии, краеведения и туризма В. Г. Еременко, доцентом кафедры... | | Учебно-методическое пособие Красноярск сфу 2012 удк 504. 004. 4 (07) ббк 28. 0я73 Экологическая информатика: учебно-методическое пособие [Текст] / сост. М. А. Субботин. – Красноярск: Сиб федер ун-т, 2012. – 9 с |
| Учебно-методическое пособие самара 2005 удк 657 Рецензенты Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения Международного института рынка, обучающихся по специальности «Финансы... | | Учебно-методическое пособие / О. Н. Углицких, И. И. Глотова, Е. П.... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 080300. 68 «Финансы и кредит» очной... |
