Термохімія

Незалежність теплового ефекту від перебігу процесу встановив експериментально російський академік Г.І.Гесс у 1836 р. Закон Гесса форму­люється так:

теплові ефекти хімічних реакцій, що відбуваються при сталому тиску або сталому об'ємі, залежать тільки від природи і етапу вихідних речовин і продуктів і не залежать від проміжкових реакцій.

Закон Гесса ілюструє така схема:

При хімічних перетвореннях система з вихідного стану А в кінцевий стан В може переходити різними шляхами: по шляху АСDВ або по шляху АЕВ. При цьому тепловий ефект по шляху АСDВ буде рівний сумі теплових ефектів у кожній з цих стадій Q₂ + Q₃ + Q₄. Тепловий ефект по шляху АЕВ дорівнює сумі теплових ефектів Q₅ + Q₆. Сумарні теплові ефекти кожного з шляхів будуть при цьому рівні Тому можна записати:

Q₁ = Q₂ + Q₃ + Q₄= Q₅ + Q₆. (2.5)

Закон Гесса є наслідком першого начала термодинаміки і служить основою термохімії - розділу хімії, що вивчає теплові ефекти хімічних реакцій. Він дає можливість розраховувати теплові ефекти процесів, для яких відсутні експериментальні дані або які неможливо здійснити

Наприклад, процес окиснення вуглецю можна проілюструвати такими термохімічними рівняннями:

З приведеного запису видно, що Δ Н₁ = Δ Н₂ + Δ Н_3. Експериментальне

легко можна визначити Δ Н₁ та Δ Н₃. Визначити величину Δ Н₂ практично неможливо, оскільки реакція окиснення вуглецю до СО завжди супро­водиться окисненням і до СО₂. Закон Гесса дає можливість розрахувати Δ Н₂:

Δ Н₂ = Δ Н₁ - Δ Н₃ (2'6)

Теплові ефекти, віднесені до 1 моля речовини і стандартним умовам -температурі 298 К і тиску 101,3 кПа, називаються стандартними.

Стандартна теплота (ентальпія) утворення - це тепловий ефект процесу утворення 1 моля сполуки з простих речовин при умові, що всі компоненти системи знаходяться в стандартних умовах.

Позначаються стандартні ентальпії утворення Δ Н ⁰_form і виражаються в джоулях (Дж) або кілоджоулях (кДж) на моль:

Теплотою згорання називається тепловий ефект згорання органічних сполук до СО₂, Н₂О, НХ і N₂ (X - галоген). Розрізняють вищу і нижчу теплоти згорання.

Вища теплота згорання - це тепло, яке виділяється при згоранні органічної речовини з утворенням рідкої води. При згоранні з утворенням пароподібної води частина тепла витрачається на випаровування, і тепла виділяється менше. Тому теплота згорання є нижчою.

За допомогою теплот згорання можна розрахувати теплоту утворення складних речовин з більш простих. Знайдемо, для прикладу, теплоту утво­рення бензену з ацетилену:

Узагальнюючи одержаний результат, легко прийти до висновку, що теплота реакції дорівнює сумі теплот згорання вихідних речовин за винят­ком суми теплот згорання продуктів реакції.

Всім живим організмам для нормального функціонування потрібна енер­гія. Рослини і деякі бактерії використовують енергію сонця за допомогою процесу фотосинтезу. Живі організми одержують енергію за рахунок окиснення продуктів харчування.

Ще у XVIII столітті Лавуазьє і Лаплас вивчали теплообмін морських свинок за допомогою льодового калориметру. Досліджувана тварина вмі­щувалась в камеру, стінки якої були зробені з льоду; кількість теплоти визначалась за масою води, що утворювалась при плавленні льоду. Вони прийшли до висновку, що кількість теплоти, що виділяється морською свинкою еквівалентна кількості теплоти, яка утворюється при спалюванні продуктів у калориметричній бомбі.

В наш час енергетичний баланс організму вивчається методами непря­мої калориметрії. При прямій калориметрії людину вміщують в ізольовану камеру, в якій визначають кількість теплоти, яка вилучається живим орга­нізмом при різних процесах нормальної фізіологічної діяльності Разом з тим визначають кількість вуглекислого газу і інших продуктів метаболізму, а також витрати кисню та продуктів харчування. Ці дані використовуються в розрахункових методах непрямої калориметрі де на основі встановлених дихальних коефіцієнтів і калоричного коефіцієнту визначаються енергетич­ні витрати організму. Дуже важливою величиною є так званий дихальний коефіцієнт:

"Дихальний коефіцієнт" — це співвідношення між об'ємом вуглекислого газу, що видихається, до поглинутого кисню.

Для вуглеводів він дорівнює 1,0, білків - 0,8, жирів - 0,7. Кількість теплоти, що виділяється при утилізації 1 л кисню, називається калоричним еквівалентом кисню. Для вуглеводів він дорівнює 21,2, білків - 20,09, жи­рів - 19,6 кДж.

Результати визначення енергетичного балансу людини методами прямої і непрямої калориметрії співпадають з точністю 1-3%.

Дослідження показують, що живий організм не продукує нову енергію, що закон збереження енергії, або перше начало термодинаміки, можна застосовувати для описання енергетичного стану живих систем з наступ­ним конкретним формулюванням: всі види роботи в організмі здійснюють­ся за рахунок еквівалентної кількості енергії, що виділяється при окисненні спожитих речовин.

Калорійність продуктів харчування також визначається на основі методів термохімії. В середньому цінність фізіологічного пального споживчих про­дуктів трьох основних класів така: жирів - 37,8, вуглеводів - 19,8, білків -16,8 кДж/г.

Для змішаної їжі не можна дати ні хімічних формул, ні точного хімічного складу, її максимальна калорійність визначається спалюванням в калориметричній бомбі. Однак одержані таким шляхом значення теплоти згорання не дають точного уявлення про фізіологично доступну енергію продуктів харчування, оскільки в організмі вони не обов'язково окиснюються до СО₂, Н₂О і Н₂. Більша частина продуктів азотистого обміну виділяється у вигляді сечі або інших продуктів неповного окиснення, що містяться в сечі і екскрементах. Основна частина доступної енергії їжі затримується в організмі у вигляді хімічної енергії; а не виділяється у вигляді теплоти.

На підставі даних про калорійність харчових продуктів складаються науково обґрунтовані норми потреб у харчових речовинах для окремих груп населення з урахуванням енергетичних витрат. Норми враховують вік і стать людини, характер його праці і побуту, а також кліматичні особливості тієї місцевості, де людина проживає, У 1982 р. Міністерство охорони здоров'я України затвердило нові "Норми фізіологічних потреб у харчових речовинах і енергії для різних груп населення України". Користуючись цими даними як середніми величинами, лікар може скласти окремі норми харчування для кожного пацієнта Слід відмітити, що в деяких країнах проблема неправильного харчування стоїть дуже гостро. Так, в Сполучених Штатах Америки щорічно вмирає 350 тисяч людей від ожиріння. Сотні тисяч громадян Америки мають вагу понад 200 кг.

Закони і методи термохімії застосовуються для вивчення теплових ефектів різних біохімічних реакцій, що відбуваються в організмі людини і живих істот. Термохімічний аналіз в останні роки став застосовуватися для дослідження стадій біологічного окиснення, м'язового скорочення і деяких фізіологічних процесів у клітинах. Порівняння енергетики здорових і хво­рих кліток дозволяє вивчати різні патологічні явища, розробляти діагнос­тику і методи лікування деяких захворювань на ранніх стадіях

Нині досить глибоко вивчена енергетика процесу ожиріння Учені-медики, знаючи концентрації в крові таких речовин, як глюкоза, інсулін, жирні кислоти, холестерин тощо, можуть робити висновок про те, як відбувається обмін речовин в організмі.