Введение физическая химия
Скачать 2.17 Mb.
|
| УДК 541.1/18(072) Физическая и коллоидная химия. Учебное пособие. Ставрополь, Издательство …, 2013. - …с. Учебное пособие по курсу физической и коллоидной химии предназначено для студентов университетов. Авторы - к.х.н., ст. преподаватель кафедры терапии и фармакологии Горчаков Эдуард Владимирович д.в.н., профессор кафедры терапии и фармакологии Оробец Владимир Александрович Рецензенты - Учебное пособие утверждено на методическом совете Ставропольского государственного аграрного университета протокол №… от г. ВВЕДЕНИЕ Физическая химия - это наука о физических явлениях, неразрывно связанных с химическими процессами. В современных условиях значение физической химии в развитии медицины и биологии постоянно возрастает, в связи, с чем возникает необходимость знаний основных положений этой науки. Из обычно выделяемых разделов физической химии в пособии приведен материал, необходимый в подготовке ветеринарного врача к его будущей работе по этой специальности или смежных с ней областях. К изучению предложены особенности агрегатного состояния жидкости, особенности строения воды и ее значение в жизнедеятельности живой клетки; истинные растворы, активная реакция среды и методы ее определения, буферные растворы, их свойства, механизм действия и значение: явление осмоса и диффузии. Рассмотрены основы термодинамики, кинетики и катализа, изучение которых необходимо для таких разделов биологической химии как ферментология и биоэнергетика. Коллоидная химия в прошлом раздел физической химии, в настоящее время является самостоятельной наукой. Предметом изучения коллоидной химии являются коллоидные системы во всем их многообразии. Коллоидная химия занимает важное место в химическом образовании биолога и врача, так как изучает изменения, происходящие под воздействием различных внешних факторов в системах, в которых присутствуют белки, полисахариды, многие липиды, являющиеся компонентами живых клеток и биологических жидкостей организма. Живая протоплазма животных и растительных клеток является сложнейшей многофазной и многокомпонентной структурированной белково-коллоидной системой. Изменения коллоидных систем, связанные с процессами набухания, коагуляции, адсорбции, диффузии и осмоса и многими другими физическими явлениями тесно связаны с химическими реакциями, совокупность которых составляет обменные процессы. На поверхности коллоидных частиц в клетках и биологических жидкостях происходят химические реакции обмена веществ, а сама поверхность этих частиц оказывает существенное влияние на направление и скорость идущих на ней реакций. Коллоидные системы могут связывать большое количество воды (соединительная ткань, стекловидное тело), а также адсорбировать различные вещества. Адсорбция на поверхности коллоидной частицы имеет огромное значение в обмене веществ живого организма, в фармакодинамике лекарственных форм в нем. В биологии, медицине широко используются методы коллоидной химии в изучении химии ферментов, гормонов; многих антител, биопрепараты, в частности БАДы, токсины, полученные в чистом виде с помощью методов коллоидной химии. К таким методам следует отнести ультрамикроскопию, ультрацентрифугирование, диализ, нефелометрию, электрофорез, хроматографию. Изучение основ физической и коллоидной химии предшествуют изучению биологической химии и способствуют пониманию сложных процессов живого организма и сознательному выполнению лабораторного практикума биологической химии. Знание основ физической и коллоидной химии принесут пользу при изучении смежных дисциплин, сопутствующих подготовке ветеринарного врача, поддержат его при осуществлении грамотных и теоретически обоснованных действий в его будущей научной и профессиональной деятельности. Готовясь к изучению биологической химии, науки о химических реакциях, протекающих в животных организмах, следует вспомнить о химической кинетике (науке о скорости химических реакций) и катализе, основах термодинамики и электрохимии. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ Химическая кинетика - это учение о скорости химических реакций и зависимости ее от различных факторов: природы и концентрации реагирующих веществ, давления, температуры, катализаторов и др. Кинетика имеет большое практическое значение для проведения различных технологических процессов, скорость которых может быть изменена в нужном направлении. Особенности течения биохимических процессов в живом организме зависят от катализаторов - ферментов и их активности, определяемой такими факторами как концентрация фермента и реагента (субстрата), температура, реакция среды, присутствие различных веществ. По числу молекул, вступающих во взаимодействие в элементарном акте химической реакции, химические реакции могут быть мономолекулярными, бимолекулярными, тримолекулярными. Мономолекулярные реакции включают реакции изомеризации.  А также реакции превращения.  Элементарная стадия бимолекулярных реакций представляет собой взаимодействие двух молекул, к ним относятся: реакции синтеза: А + В → АВ 2А→А2 реакции обмена: А + В→С + Д реакции присоединения: СН2 = СН2 + НCl→ СН3 - СН2Cl этен (этилен) хлорэтан Тримолекулярные реакции встречаются редко, они протекают при одновременном столкновении трех видов молекул: А + В + С→Д 2NO + О2→ 2NO2. Порядок химических реакций определяется по применимости к ним уравнений кинетики. Порядок реакции – формальная величина, не связанная с механизмом. Он совпадает с молекулярностью только для элементарных реакций, которые встречаются редко. Все химические реакции делятся на реакции нулевого, первого, второго и третьего порядка. Бывают реакции дробного порядка. Реакции нулевого порядка встречаются в живом организме. Их скорость стабильна. Они протекают при высоких концентрациях реагирующих веществ. Они характерны для начальной стадии ферментативного катализа и являются моно- или бимолекулярными реакциями. К реакциям первого порядка относят реакции, скорость которых зависит от концентрации одного из реагентов, от объема реагирующей смеси. К реакциям второго порядка относят химические реакции, скорость которых пропорциональна произведению концентрации двух реагирующих веществ. А + В → С. Это реакции присоединения, окисления, полимеризации. Реакции третьего порядка редки. Их скорость пропорциональна произведению трех реагирующих веществ. Реакции, протекающие на поверхности катализаторов, имеют, как правило, дробный порядок, так как протекают по сложному механизму. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ Вещества, вступающие в химическую реакцию, называются реагентами. Химические соединения, образующиеся в результате реакции, называются продуктами реакции. Вещества, образующиеся на различных этапах химических реакции, называют промежуточными продуктами, а реакции возникновения промежуточных продуктов - промежуточными реакциями. Совокупность стадий, из которых состоит химическая реакция, со всеми структурными и энергетическими изменениями реагирующих соединений, составляет механизм реакции. Химические реакции характеризуются скоростью. Скорость химической реакции измеряется изменениями концентрации реагирующих веществ за единицу времени при постоянном объеме. Если за Δt концентрация вещества изменилась на ΔС, то средняя скорость реакции равна: v =  . Чем меньше Δt, тем ближе значение скорости (v) к истинной скорости реакции. Для определения скорости реакции необходимо определять либо изменение концентрации исходных веществ, либо накопление продуктов их взаимодействия. Если исходным или конечным продуктом является кислота, используется метод нейтрализации (титрований эквивалентной щелочью), при образовании цветных продуктов используют колометрию, если в процессе реакции образуются вещества, поглощающие излучение, пользуются методом спектроскопии. К факторам, влияющим на скорость химических реакций, относятся: 1. Природа реагирующих веществ. Реакция протекает быстро при выраженном сродстве реагирующих веществ: Н2 + F2→ 2НFпри низких температурах протекает быстро и со взрывом 2Н2 + О2→ 2Н2О при низких температурах образование продуктов реакции незначительно. Химическая реакция в растворе протекает быстрее, чем в твердом состоянии, электролиты реагируют быстрее, чем не электролиты. Степень измельчения реагирующих веществ определяет скорость реакции достаточно заметно. По признаку наличия поверхности раздела фаз различают гомогенные (нет поверхности раздела фаз) и значительная часть химических процессов протекает в химически неоднородных системах - гетерогенных системах. Такие процессы принято называть гетерогенными. Гетерогенные процессы протекают на поверхности раздела фаз. Отличительной чертой этих процессов является сложность и много стадийность. В общем случае в гетерогенной реакции можно выделить следующие стадии.
Такая многоэтапность оказывает сильное влияние на скорость гетерогенного процесса и особенно на зависимость скорости от внешних факторов. Особенно важной для общей скорости процесса является скорость самой медленной стадии, она выступает в роли лимитирующей стадии. Знание лимитирующей стадии процесса позволяет управлять скоростью всего процесса. Чаще всего в качестве управляющего фактора выступает температура, площадь поверхности раздела фаз. Скорость гетерогенной реакции прямо пропорциональна степени дисперсности реагентов, зависит от скорости диффузии реагентов к месту реакции и удаления продуктов от него. Скорость диффузии пропорциональна разности концентраций и обратно пропорциональна толщине слоя, зависит от природы диффундирующего вещества, его концентрации, температуры и давления. Природа растворителя влияет на скорость реакции: Нитробензойная кислота превращается в нитробензол в воде в 2000 раз быстрее, чем в толуоле. 2. Концентрация реагирующих веществ. Молекулы могут взаимодействовать только при столкновении, чем больше столкновений, тем быстрее идет реакция, а их число зависит, прежде всего, от концентрации реагирующих веществ. Скорость химической реакции в газовой или водной среде в данный момент пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ: А + В ⇄ С + Д Чем больше СА и Св, тем больше столкновений произойдет между ними и больше образуется новых веществ С и Д. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ описывается уравнением: v=kСАСВ (К. Гульдберг и П. Вааге, 1867 ), k - коэффициент пропорциональности (константа скорости химической реакции); СА и СВ - концентрации реагирующих веществ. При СА = СВ = 1,v = k; k для данной реакции при данной температуре (T = const) является величиной постоянной. По мере расходования реагирующих веществ и накопления продукта реакции скорость химической реакции будет уменьшаться. При этом концентрация исходных веществ уменьшается, а концентрация продуктов реакций увеличивается.  Рис. 1. Зависимость СА и СВ от t. С течением времени скорость реакции изменяется, замедляется скорость прямой реакции, увеличивается скорость обратной (если есть возможность ее протекания). Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ отражается в законе действия масс. Закон действия масс – скорость прямой и обратной реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. При достижении равновесия скорость прямой и обратной реакции одинакова.  (А + В  С + D) v1 = k1∙[A]∙[B] v2 = k2∙[C]∙[D] k1∙[A]∙[B] = k2∙[C]∙[D] v1 = v2  .Так как величины k1 и k2 постоянны, а их отношение К также постоянно, то закон действия масс будет гласить: при постоянной температуре отношение произведений концентраций веществ, образовавшихся в результате реакции, к произведению концентраций исходных веществ является величиной постоянной. К=  .Если коэффициенты в уравнении не равны единице, в выражении закона действия масс их ставят как показатель степени при соответствующей концентрации. К=  .Закон действия масс позволяет регулировать направление реакции. 3. Энергия активации. Энергия активации является основным фактором скорости и направления реакции. С. Аррениус (1889) выдвинул теорию активации, объясняющую сущность химических реакций: во взаимодействие вступают только молекулы, обладающие запасом энергии необходимой для осуществления реакции (активные молекулы). Число активных молекул (N) может быть вычислено по уравнению: N = N0 –  ,N - число активных молекул, N0 - общее число молекул, е - основание натурального логарифма, Еа - энергия активации, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура. Минимальный запас энергии необходимый молекулам для вступления в реакцию принимается за энергетический барьер реакции. Энергия, которая должна быть сообщена неактивным молекулам для перехода их в активное состояние, называется энергией активации, обычно ее выражают в кДж/моль (встречается ккал/моль). Каждая реакция характеризуется своей энергией активации. Скорость химической реакции зависит от величины энергии активации, и чем она больше, тем медленнее протекает реакция. Эффективно уменьшают энергию активации катализаторы, но особенно эффективно белковые катализаторы живого организма - ферменты. Энергия активации - Еа:
А + В → АВ без катализатора, энергия активации Еа1. А + К→АК. АК + В →АВ + К энергия активации Еа2. Еа2< Еа1, каталитический путь реакции энергетически более выгодный. Чем меньше величина энергии активации, тем более энергетически выгоден путь реакции (сравнить три приведенных примера). Наиболее выгодны биохимические процессы, протекающие при участии ферментов, они носят многоступенчатый характер и имеют высокую скорость. 4. Температура. Скорость реакции зависит от соотношения активных и неактивных молекул. доля активных молекул и их скорость с повышением температуры увеличивается, соответственно скорость химической реакции возрастает: по правилу Вант-Гоффа с повышением температуры на 10°С скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза. При повышений температуры в арифметической прогрессии скорость реакции возрастает в геометрической. Уравнение, которое описывает это правило следующее: vср = v0 ∙  ,где vср- скорость реакции при температуре T2, v0- скорость реакции при температуре T1, γ- температурный коэффициент реакции (если он равен 2, например, то скорость реакции будет увеличиваться в 2 раза при повышении температуры на 10 градусов). Следует помнить, что правило Вант-Гоффа применимо только для реакций с энергией активации 60-120 кДж/моль в температурном диапазоне 10-400oC. Правилу Вант-Гоффа также не подчиняются реакции, в которых принимают участие громоздкие молекулы, например белки в биологических системах, тогда температурную зависимость скорости реакции более корректно описывать уравнением Аррениуса. Из уравнения Вант-Гоффа температурный коэффициент вычисляется по формуле: γ =  . В организме животных и человека химические реакции протекают при участии особых белков ферментов являющиеся биологическими катализаторами, активность которых с повышением температуры возрастает по правилу Вант-Гоффа, но при температурах выше 70°С вследствие температурной денатурации ферментных белков падает или резко замедляется. Оптимальная температура для живых организмов лежит в интервале 35-43°С (рис. 2).  Рис. 2. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры. 5. Реакция среды. Реакция среды оказывает значительное влияние на скорость химической реакции, скорость может достигать максимума при определенных значениях рН среды для конкретной химической реакции. Особенно большое значение реакция среды имеет для реакций катализируемые ферментами в живом организме. Ферменты - белковые катализаторы, проявляют максимальную ак тивность при определенных значениях рН, что представляет собой довольно узкий интервал значений рН. Выход за пределы этих значений вызывает снижение (или ингибирование) активности фермента (рис. 3).  Рис. 3. Зависимость скорости ферментативной реакции от реакции среды. Кроме основных законов и правил химической кинетики следует обратить особое внимание на принцип Ле-Шателье - принцип подвижного равновесия: Всякое внешнее воздействие на систему, находящейся в равновесии, благоприятствует протеканию той из двух противоположных реакций, которая ослабляет это воздействие. Увеличение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической, а уменьшение – экзотермической реакции. Увеличение давления смещает равновесие в сторону уменьшения объема, а уменьшение давления - в сторону увеличения объема. Удаление продуктов реакции из среды смещает равновесие в сторону прямой реакции (образования продуктов реакции). 6. Катализаторы. Теория катализа. При добавлении в реакционную смесь катализатора скорость химической реакции резко меняется. Изменение скорости химической реакции под влиянием катализатора называется катализом. В современном понимании катализ - это ускорение химического процесса под действием катализаторов, сама терминология введена еще И.Я. Берцелиусом (1835). Скорость химической реакции зависит от величины энергии активации, и чем она больше, тем медленнее протекает реакция. Эффективно уменьшают энергию активации катализаторы, но особенно эффективно белковые катализаторы живого организма - ферменты. Основной характеристикой катализатора является его активность и селективность (специфичность). Особенностью каталитического процесса является:
5. Катализаторам присуща более или менее строгая селективность. Катализатор изменяет скорость реакции, сам при этом, не изменяясь химически. Механизм изменения скорости рассматривается несколькими теориями, которые отражают современные представления по этому вопросу и взаимно дополняющие друг друга. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Аналитическая химия учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... | | Высокомолекулярные соединения учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... |
| Химические основы биологических процессов учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... |  | Программа вступительных экзаменов по специальным дисциплинам, соответствующих... ... |
| Программа вступительных экзаменов по специальным дисциплинам, соответствующих... «Неорганическая химия»; «Аналитическая химия»; «Органическая химия»; «Физическая химия» | | Рабочая программа по дисциплине б пищевая химия Ооп впо направления 260100. 62 Продукты питания из растительного сырья. Дисциплина преподается в 5 семестре и методически взаимосвязана... |
| Утверждено на заседании Ученого совета философского факультета протокол №10 от 2 июля 2011 г ... | | Рабочая учебная программа предмета физическая и коллоидная химия... Рабочая учебная программа предмета «Физическая и коллоидная химия» предназначена для реализации государственных требований к содержанию... |
| Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов очного... Рабочая программа для студентов очного обучения по направлению 020100. 62 «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия... | | Рабочая программа по дисциплине с физическая и коллоидная химия Она имеет логические и содержательно-методические связи с дисциплинами базовой части математического и естественнонаучного цикла... |
| Рабочая программа дисциплины Введение в микробиологию Дисциплина «Введение в микробиологию» относится к вариативной части профессионального (специального) цикла (М2) ооп магистратуры... | | Рабочая программа учебной дисциплины «химия физическая и коллоидная» С впо по направлению подготовки 110500. 62 «Садоводство», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации... |
| Учебное пособие Кемерово 2004 удк 637. 5 Изучение дисциплины базируется на знаниях и умениях, полученных студентами при изучении естественно научных, общепрофессиональных... | | Рабочая программа учебной дисциплины модуль «Химия» Фгос впо по направлению подготовки 111100. 62 «Зоотехния», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации... |
| Рабочая программа учебной дисциплины модуль «Химия» Фгос впо по направлению подготовки 111100. 62 «Зоотехния», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации... | | Рабочая программа учебной дисциплины модуль «Химия» Фгос впо по направлению подготовки 111100. 62 «Зоотехния», утверждённого приказом Министерства образования и науки Российской Федерации... |
