ЗАНЯТИЕ № 1

Модуль №1 Основы химической термодинамики и кинетики, свойства растворов, редокс-процессы

Методическое указание для студентов

ТЕМА: Основы химической термодинамики и биоэнергетики. Химическое равновесие.

ЦЕЛЬ: Познакомиться с основами термодинамики и биоэнергетики, научиться прогнозировать направление химических и биологических процессов

Теоретические вопросы:

1. Предмет и методы химической термодинамики. Основные понятия термодинамики.

2. Параметры состояния (интенсивные и экстенсивные) Функция состояния.

3. Внутренняя энергия. Работа и теплота – две формы передачи энергии.

4. Типы термодинамических систем (изолированные, закрытые, открытые).

5. Типы термодинамических процессов (изотермические, изобарные, изохорные). Стандартное состояние.

6. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования и сгорания вещества. Стандартная энтальпия реакции. I начало термодинамики.

7. Закон Гесса. Следствия из закона Гесса. Применение 1 начала термодинамики к биосистемам. Энергетическая ценность пищевых продуктов, обоснование рационов питания.

8. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Второе начало термодинамики. Энтропия.

9. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированной и закрытой системах. Роль энтальпийного и энтропийного факторов.

10. Термодинамические условия равновесия. Стандартная энергия Гиббса образования и биологического окисления веществ. Стандартная энергия Гиббса реакции. Примеры экзергонических и эндергонических процессов. Принцип энергетического сопряжения.

11. Обратимые и необратимые реакции. Термодинамические условия равновесия в изолированных и закрытых системах.

12. Закон действующих масс. Константа химического равновесия.

13. Уравнение изотермы и изобары химической реакции.

14. Прогнозирование смещения химического равновесия. Факторы, влияющие на смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье.

15. Понятие о гомеостазе и стационарном состоянии живого организма.

Лабораторная работа №1 «Химическое равновесие»

Обучающие задачи:

Задача 1 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: С₂H₅OH + ½ O₂ = CH₃COH + H₂O.

Рассчитайте DH⁰ реакции, используя первое следствие закона Гесса, если

DН⁰ _обр.(C₂H₅OH) = - 278 кДж/моль;

DН⁰ _обр.(CH₃СOH) = - 166 кДж/моль;

DН⁰ _обр.(H₂O) = - 286 кДж/моль.

Решение: DH⁰ = å n DH⁰ _{обр.пр.р.} - å n DН⁰ _{обр.исх.в.в}; DH = (-166+ (-286)-(-278)) = - 174 кДж/моль

Ответ: тепловой эффект реакции DH = -174 кДж/моль, т.е. процесс экзотермический.

Задача 2. 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

Решение: Тепловой эффект данной реакции можно рассчитать, применяя второе следствие из закона Гесса:

DН = ån DН⁰ _{сгор. исход. веществ} - å n DH⁰ _{сгор. прод. реакции}

DН = -2810 - 2 ∙(-1366) = - 78 кДж/моль

Ответ: тепловой эффект процесса брожения равен - 78 кДж/моль.

Задача 3. Рассчитайте стандартную энтропию реакции:

NH₂ - CH₂ - COOH + NH₂ - CH₂ - COOH → NH₂ - CH₂ - CO - NH - CH₂ - COOH + H₂O

глицин глицин глицилглицин

Если S⁰ _{(глицилглицина)} = 231 Дж/моль×К;

S⁰ _{(глицина)} = 159 Дж/ моль×К;

S⁰(H₂O) = 70 Дж/моль×К;

Решение:

DS = S⁰₂₉₈(гл-гл) +S⁰₂₉₈(H₂O)– 2 S⁰ ₂₉₈(глицина) = (231+70)-(159+159)= -17 Дж/моль×К

Ответ: DS⁰ ₂₉₈= - 17 Дж/моль×К, т.е. энтропия уменьшится.

Задача 4. Теплота сгорания углеводов, белков и жиров составляет 17, 17 и 39 кДж

соответственно. Среднесуточная потребность в белках, жирах и углеводах для студентов - мужчин составляет 113, 106 и 451г. Какова суточная потребность студентов - мужчин в энергии?

Решение: Рассчитаем, какое количество энергии выделится при окислении углеводов, белков и жиров

DH = (451×17) + (113 × 17) + (106 × 39) = 13722 кДж.

Ответ: Суточная потребность в энергии равна 13722 кДж.

Задача 5. Почему процесс денатурации белка при 40⁰С является самопроизвольным, если реакция эндотермическая и тепловой эффект составляет 2830 Дж/моль? Значение DS для данной реакции равно 288 Дж/моль∙К

Решение: Для определения направления процесса необходимо знать величину изменения энергии Гиббса, рассчитываемой по уравнению: DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰. Расчет показывает, что DG<0 (DG⁰ = 2830Дж/моль-(313К × 288Дж/моль∙К)=-87314 Дж/моль или-87,3 кДж/моль).

Ответ: Поскольку DG < 0, то процесс денатурации белка при 40⁰С протекает самопроизвольно, повышение температуры тела может представлять опасность для жизнедеятельности организма.

Задача 6. Вычислите энергию Гиббса, являющуюся критерием самопроизвольности процессов, для реакции гликолиза при стандартных условиях:С₆H₁₂О₆ (р-р)® 2 С₃H₆О₃(р-р) (молочная кислота).

Решение:

Из таблицы термодинамических величин запишем стандартную энергию Гиббса для участников химического процесса: ∆G⁰(С₆H₁₂О₆) = -917 кДж/моль; ∆G⁰(С₃H₆О₃) = -539 кДж/моль. Используя 1 следствие из закона Гесса, вычислим энергию Гиббса:

ΔG⁰ = 2×ΔG⁰ (C₃H₆O₃) - ΔG⁰ (C₆H₁₂O₆)

ΔG⁰ = 2(-539) – (-917) = -161 кДж/моль

Ответ: т.к. ΔG⁰ < 0, то реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении.

Задача 7. Вычислить изменение энергии Гиббса при 25⁰С по стандартным значениям энтальпий образования и абсолютных энтропий для данной реакции: СО + 2Н₂ = СН₃ОН

DН⁰_обрСН₃ОН = -293 кДж/моль S⁰(СН₃ОН) = 127 Дж/моль×К

DН⁰_обрСО = - 110 кДж/моль. S⁰(CO) = 198 Дж/моль×К

S⁰(H₂) = 131 Дж/моль×К

Решение: DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰

DH⁰ = ånDH⁰_{обр. пр. реак.} - ånDН⁰_{обр. исх. веществ}

DН⁰ = - 293 - (-110) = - 183 кДж/моль

DS⁰ = å n S⁰ _{прод. р} - å n S⁰ _{исход. веществ}

DS⁰ = 127 - (198 + 2(131) = - 333 Дж/моль×К

DG⁰ = - 183,5 кДж/моль - (298К × 0,333 кДж/моль×К) = - 83,8 кДж/моль

Ответ: DG⁰ = - 83,8 кДж/моль

Задача 8. Рассчитайте константу равновесия при 310 К для реакции АТФ + АМФ ↔ 2АДФ, если свободная энергия Гиббса реакции ΔG°=-2,10кДж/моль.

Решение: в состоянии равновесия DG⁰ = - 2,3RT lg Кс

lgKc= 0,354

K_c= 10^0,354=2,26

Ответ: Kc = 2,26

Задача 9. Константа равновесия реакции: PCl₅(г) «PCl₃(г) + Cl₂(г) при 250⁰С равна 2. В каком направлении идет реакция при следующих концентрациях: С(PCl₅) = C(PCl₃) = 2 моль/л; С(Сl₂) = 4 моль/л?

Решение: Для определения направления протекания реакции воспользуемся уравнением изотермы

Рассчитаем Пс

Т.к. П_с > К_с, то DG > 0

Вывод: реакция самопроизвольно протекать в прямом направлении не может, т.к. DG>0.

Задача 10. Константа равновесия реакции 2SO₂ (г) + O₂(г) Û 2SO₃(г) при температуре 627⁰С равна 2,3∙10^-7, DН⁰ = 376,5 кДж/моль. Рассчитайте константу равновесия при 727⁰С.

Решение: воспользуемся уравнением изобары химической реакции:

T₁ = 273 + 627 = 900 K

T₂ = 273 + 727 = 1000K

Ответ: Константа равновесия при 727⁰С равна 3,56 × 10^-5.

Задача 11. Для реакции Н₂О(г) + СO(г) ® CO₂(г) + H₂(г) константы химического равновесия равны: при 800⁰С Кр = 2,87, при 1000⁰С Кр = 1,39. Вычислите тепловой эффект этой реакции.

Решение: Применив, уравнение изобары химической реакции, рассчитаем DН

Примем T₁ = 800 + 273 = 1073 K

T₂ = 1000 + 273 = 1273 K

Ответ: DН = -39,16 кДж/моль

Задачи для самостоятельного решения:

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

Ответ: 1600 кДж

Задача 2. Пероксид водорода (Н₂О₂) в виде раствора с массовой долей 3 %. используется в медицине для обработки ран. Докажите, что процесс разложения пероксида водорода в присутствии фермента каталазы является самопроизвольным, используя для расчёта значения стандартной энтропии образования исходных веществ и продуктов реакции:

S⁰ ₂₉₈ (H₂O₂) =110 Дж/моль×К; S⁰ ₂₉₈ (Н₂О) = 70 Дж/моль×К; S⁰₂₉₈(O₂) = 205 Дж/моль×К.

Ответ: Δ S = 62,5 Дж/моль × К

Задача 3. При сжигании метана объемом 2 м³ выделяется 79600 кДж теплоты. Рассчитайте стандартную теплоту сгорания метана.

Ответ: 891,52 кДж/моль

Задача 4. Рассчитайте стандартную энергию Гиббса для процесса окисления глюкозы по следующим данным: DН⁰_обр (С₆Н₁₂О₆) = - 1264,4 кДж/моль; DН⁰_обр (СО₂) = - 393 кДж/моль;

DН⁰_обр (Н₂О) = - 286 кДж/моль. Изменение энтропии всей реагирующей системы равно 0,259 кДж/моль×K

Ответ: DG = - 2886,8 кДж/моль.

Задача5. Вычислите стандартную энтальпию образования этанола, воспользовавшись необходимыми для этого стандартными энтальпиями сгорания.

Ответ: DН⁰_обр. = -273 кДж/моль

Задача 6. Константа равновесия реакции N₂0₄(г) ↔ 2N0₂ (г) при 25°С равна 0,1. В каком направлении будет идти реакция при следующих концентрациях веществ:

а) С(N0₂) = С(N₂0₄) = 0,1 моль/л;

б) С(N0₂) = 0,01 моль/л; C(N₂0₄) = 0,02 моль/л?

Задача 7. Для реакции H₂ + I₂ ® 2HI при 444⁰С константа равновесия равна 50. Определите направление процесса, если исходная смесь имеет следующий состав: С(H₂) = 2моль/л, С(HI) = 10моль/л.

Ответ: Состояние равновесия, т.к ∆G=0.

Задача 8. Рассчитайте константу равновесия, если DG⁰ ₂₉₈ для данной реакции равно 4,478 кДж/моль.

Ответ: 6,1

Задача 9. Константа равновесия разложения лекарственного вещества в автоклаве при 413К равна 0,396∙10⁵ Па, а при 443К - 1,286∙10⁵ Па. Вычислить тепловой эффект реакции.

Ответ: 59,6 кДж/моль.

Задача 10. Используя значение ΔG°, установите, существует ли угроза отравления больного при использовании в качестве наркотического средства оксида азота(I), Токсичный оксид азота (II) может образовываться по реакции: 2N₂O + O₂ = 4NO. Все вещества находятся в газообразном состоянии. Справочные данные см. в таблице.

Дата добавления: 2014-01-04