2013  Фізична та колоїдна хімія

Лекція № 1. Основи хімічної термодинаміки та

біоенергетики. Кінетика біохімічних реакцій

1.1. Предмет хімічної термодинаміки. Основні поняття хімічної термодинаміки: термодинамічна система (ізольована, закрита, відкрита, гомогенна, гетерогенна), параметри стану (екстенсивні, інтенсивні), термодинамічний процес.

1.2.Перший закон термодинаміки. Ентальпія. Термохімічні рівняння. Стандартні теплоти утворення та згоряння. Закон Гесса.

1.3.Другий закон термодинаміки. Ентропія. Вільна енергія Гіббса. Критерії самочинного перебігу хімічних процесів.

1.4.Застосування основних положень термодинаміки до живих організмів. АТФ як джерело енергії для біохімічних реакцій. Макроергічні сполуки. ( СПРС 1).

1.5.Хімічна кінетика як основа для вивчення швидкостей та механізму біохімічних реакцій. Швидкість реакції. Залежність швидкості реакції від концентрації. Закон дії мас і швидкість реакції. Константа швидкості реакції. Поняття про порядок і молекулярність реакції.

1.6.Залежність швидкості реакції від температури. Правило Вант-Гоффа.

1.7.Енергія активації. Рівняння Арреніуса. Поняття про теорію перехідного стану (активованого комплексу).

1.8.Каталіз і каталізатори. Особливості дії каталізаторів. Гомогенний та гетерогенний каталіз. Кислотно-основний каталіз. Механізм дії каталізаторів. Промотори та каталітичні отрути.

1.9.Ферменти як біологічні каталізатори. Особливості дії ферментів. ( СПРС 2).

1.1 Предмет хімічної термодинаміки. Основні поняття хімічної термодинаміки: термодинамічна система (ізольована, закрита, відкрита, гомогенна, гетерогенна), параметри стану (екстенсивні, інтенсивні), термодинамічний процес.

При хімічних перетвореннях відбувається перебудова електронних обо­лонок взаємодіючих атомів, молекул та іонів і перерозподіл сил хімічного зв'язку, що приводить або до виділення енергії (якщо підсумком взаємодії є зміцнення зв'язків між атомами, іонами і молекулами), або до поглинання (якщо ці зв'язки стають більш слабкими, пухкими). Тому для всіх хімічних реакцій характерні не тільки глибокі якісні зміни і строго визначені стехіометричні співвідношення між кількостями вихідних речовин і про­дуктами реакції, що утворюються в результаті реакції, але і цілком визна­чені енергетичні ефекти.

Тісний взаємозв'язок між перетвореннями одних видів матерії в інші (або між переходами їх з одного стану в інший) і енергетичними ефектами, що супроводжують ці перетворення, характерний практично для всіх про­цесів, що відбуваються у природі.

З відкриттям закону збереження і перетворення енергії вчення про взаємні переходи різних форм енергії виділилось з фізики в самостійну наукову дисципліну - термодинаміку.

Предмет хімічної термодинаміки - застосування термодинамічних ме­тодів дослідження і законів, що лежать в їхній основі, до вивчення хімічних і фізико-хімічних явищ. Одна з найважливіших задач хімічної термодина­міки - експериментальне визначення значень термодинамічних констант індивідуальних речовин, знання яких дозволяє пророчити можливість здійснення того або іншого фізико-хімічного процесу, а також межі його протікання. Достоїнство термодинамічного методу дослідження полягає в тім, що його застосовність не обмежена існуючими уявленнями про будову атомів і молекул і механізм розглянутого процесу. В результаті термодина­мічного дослідження можна зробити висновок лише про принципову мож­ливість здійснення того або іншого процесу і охарактеризувати кінцевий (рівноважний) стан, але не можна одержати ніяких уявлень про те, скільки часу потрібно для досягнення рівноваги, з якою швидкістю буде проходити Цей процес. В даний час термодинамічний метод дослідження є одним з найбільш надійних і ефективних засобів вивчення обміну речовин і енергії Що відбуваються в живих організмах. Перетворення енергії, що відбува­ються в живих організмах, обумовлені перебігом як анаболічних, так і катаболічних процесів, і є предметом біоенергетики, яку можна розглядати одночасно і як частину біофізики, і як частину біохімії.

Термодинаміка це галузь науки, що вивчає взаємні перетворення різних видів енергії, пов'язаних з переходом енергії в формі теплоти і роботи Оскільки всі процеси, що відбуваються навколо нас і всередині нас йдуть з перетворенням енергії, то термодинаміка описує величезну кількість явиш.

Велике практичне значення термодинаміки в тому, що вона дає мож­ливість розраховувати теплові ефекти реакцій, наперед вказувати можли­вість чи неможливість здійснення реакції, а також умови проходження.

Термодинаміка базується на трьох началах (законах). Розглянемо деякі поняття і терміни.

Система - це сукупність матеріальних об'єктів, відділених якимось чином від навколишнього середовища Система може бути ізольованою, коли вона не обмінюється з навколишнім середовищем ні масою, ні енергією. Закрита система може обмінюватись з навколишнім середови­щем лише енергією, а відкрита - обмінюватись і масою, і енергією. Живі організми є відкритими системами.

Система може бути гомогенною, коли всі її компоненти знаходяться в одній фазі і в ній відсутні поверхні розділу, і гетерогенною, коли вона складається з декількох фаз.

Фазою називається частина системи з однаковими хімічними і термодина­мічними властивостями, відокремлена від інших її частин поверхнею роз­ділу, при переході через яку фізичні і хімічні властивості різко змінюються

Властивості і стан системи визначаються її фізико-хімічними парамет­рами. В якості термодинамічних параметрів виступають такі, які можуть бути легко виміряні: це температура, тиск і об'єм. Ці параметри пов'язані між собою рівнянням стану.

Якщо система змінює свої параметри, то в ній відбувається термодина­мічний процес. Якщо ж термодинамічні параметри з часом самочинно не змінюються і зберігають свої значення в межах кожної з фаз, то такий стан називається рівноважним.

Кожна термодинамічна система має певний запас енергі'і, яка нази­вається внутрішньою енергією. Внутрішня енергія U складається з енергії теплового руху всіх мікрочастинок системи і всіх видів внутрішньо-молекулярної енергії, але не включає кінетичну і потенціальну енергію.

Внутрішня енергія системи є функцією її стану, тобто залежить від параметрів системи (температури, тиску, складу). Зміна внутрішньої енергії не залежить від шляху процесу, а залежить тільки від початкового і кінцевого стану системи.