реакції ( S) рівна сумі ентропій продуктів реакції мінус сума ентропій вихідних речовин з врахуванням стехіометричних коефіцієнтів:

S = Sпрод. - Sвих.

ІЗОБАРНО-ІЗОТЕРМІЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ (ЕНЕРГІЯ ГІББСА)

Функцією стану, що одночасно відображає вплив ентальпії та ентропії на напрямок протікання хімічних процесів є енергія Гіббса G

G = Н-ТS

Енергію Гіббса відносять до 1 моля речовини і, звичайно, виражають в кДж/моль.

Для ізобарно-ізотермічних процесів: G = Н-ТS, де Н – називають ентальпійним фактором; ТS – ентропійним фактором.

Зміна енергії Гіббса G в результаті хімічної реакції (енергія Гібса реакції) рівна сумі енергії Гіббса утворення продуктів реакції мінус сума енергій Гіббса утворення вихідних речовин з врахуванням стехіометричних коефіцієнтів:

G = Gпрод. - Gвих.

G утворення найстійкішої модифікації простої речовини приймають рівною нулю. При постійних температурі і тиску хімічні реакції можуть самовільно протікати тільки в такому напрямку, при якому енергія Гібса системи зменшується ( G < 0).

Так, якщо Н<0 (екзотермічна реакція), а S>0 (ентропія зростає) то з рівняння G=Н-ТS витікає, що при всіх температурахG < 0. Це означає, що реакція може самовільно протікати за будь-

яких температур. Наприклад: С6Н6(р) + 7,5 О2(г) 6СО2(Г) + ЗН2О(Г) Якщо Н > 0 (реакція ендотермічна), S < О (ентропія зменшу-

ється), то G > 0. Реакція неможлива за будь-яких температур.

Наприклад: N2(Г) + 2О2(г) 2NО2(Г)

Якщо Н < 0 і S < О, то реакція можлива за умови, що Н за абсолютним значенням у рівнянні для енергії Гіббса більша, ніж добуток ТS. А це реалізується за достатньо низьких температур. За низьких температур найімовірніше самовільне протікання екзотермічних процесів, навіть якщо при цьому ентропія системи

зменшується. Наприклад: N2(Г) + 3Н2(Г) 2NН3(Г).

Якщо Н > 0 і S > 0, то реакція можлива за умови, що ТS за абсолютним значенням більше, ніж Н, а це реалізується за достатньо високих температур. За високих температур найімовірніше протікання реакцій, що супроводжуються ростом ентропії.

Значення Н, S і G залежать від природи речовин, їх агрегатного стану і концентрацій. Для одержання порівняльних даних, що ха-

рактеризують різні реакції, співставляють стандартні зміни ентальпії Н0, ентропії S0 і енергії Гіббса G0. Ці розрахунки можна проводити і для біохімічних реакцій.

Інструкція для проведення лабораторної роботи

Проведення термохімічних розрахунків для оцінки калорій-ності раціонів харчування та складання лікувальних дієт

Завдання 1. Дієта № 9, що призначається при захворюванні цукровим діабетом, грунтується на скороченні кількості вуглеводів на 50%, при збереженні фізіологічної норми жирів та білків (в нормі білки

– 100 г, жири – 60 г, вуглеводи – 500 г; теплоти окиснення відповідно: 16,8; 19,6; 38,9 кДж/г). Розрахуйте калорійність (в кДж) такої дієти?

Алгоритм. Розрахуйте кількість (г) вуглеводів за умов дієти № 9. 2. Розрахуйте кількість теплоти, що виділяється при окисненні білків, жирів, вуглеводів за умов дієти № 9. 3. Зробіть висновок щодо калорійності дієти № 9.

Завдання 2. Хворому, що скаржиться на зайву вагу рекомендована дієта № 3, що передбачає загальну спожиту кількість енергії 8370 – 10500 кДж на добу. Розрахуйте рекомендовану масу добової потреби білків, жирів і вуглеводів для пацієнта, якщо при окисленні 1 г білків виділяється 17,6 кДж, 1 г вуглеводів – 19,6 кДж, 1 г жирів – 38,9 кДж. Добова потреба хворої людини при нормальних фізичних навантаженнях становить в білках 15%, в жирах – 12%, у вуглеводах – 72% від норми.

Алгоритм. 1. Розрахуйте масу білків, жирів, вуглеводів, що рекомендовано за дієтою № 3. 2. Розрахуйте кількість енергії, яка відповідає 15% білків, 12% жирів і 72% вуглеводів. 3. Зробіть висновок про добову потребу хворого в білках, жирах, вуглеводах.

Матеріали для самоконтролю Контрольні питання

1.Дайте визначення поняттям: "термодинаміка", "тепловий ефект реакції", "екзотермічна реакція", "ендотермічна реакція", "зворотній процес", "незворотній процес", "теплота утворення", "теплота згорання", "екзоергічний процес", "ендоергічний процес", "ізохорний процес", "зворотній процес".

2.Охарактеризуйте функції стану системи та чинників, що на них впливають.

3.Сформулюйте перший закон термодинаміки.

4.Сформулюйте закон Гесса та наслідки з нього.

5.Сформулюйте принцип Ле Шательє.

6.Який фізичний зміст константи швидкості хімічної реакції?

1.Що розуміють під рівноважними концентраціями реагуючих

речовин?

Завдання.

1.Поясніть з точки зору хімічної термодинаміки фізико-хімічні закономірності процесу окиснення глюкози в організмі і їх відмінність від процесу окиснення киснем. Використовуючи табличні величини, вирахуйте кількість моль АТФ, що можуть бути отримані з 1 моля глюкози.

2.При сполученні 2,1 г заліза з сіркою виділилось 3,77 кДж тепла. Розрахувати теплоту утворення ферум сульфіду.

3.Виходячи із термохімічного рівняння: ЗСаО(т) + Р2О5 (т) =

Са3(РО4)3 (т), Н0= -2360 кДж розрахувати теплоту утворення кальцію фосфату, якщо Н (СаО) =-635,5 кДж/моль; Н (Р2О5)= -1492 кДж/моль.

4.В оборотній реакції CO (г) + Cl2 (г)  COCl2 (г) вихідні концентрації були : [CO] = 0,030 моль/л; [Cl2] = 0,026 моль/л; [CO] = 0,021 моль/л. Розрахуйте рівноважні концентрації решти речовин.

5.Рівноважні концентрації речовин системи 2NO (г) + O2 (г) 

2NO2 (г) були: [NO] = 0,056 моль/л; [O2] = 0,028 моль/л; [NO2] = 0,044

моль/л. Розрахувати вихідні концентрації NO і O2.

6.Розрахувати, як зміниться швидкість прямої і зворотної

реакцій 2NO(г)+O2(г)2NO2(г) якщо: а) об’єм реакційної посудини збільшити у три рази; б) тиск в системі збільшити у два рази?

Зразок білету для кінцевого контролю знань студентів

2. За якої умови хімічні реакції протікають самовільно?

A.G 0

B.G =0

C.G =1

D. G 0

E.G 1

3.Оберіть формулу, що є математичним виразом другого наслідку закону Гесса.

A.Н = (Н згор.кінц) - (Н згор.вих).

B.Н = (Н згор.вих) - (Н згор.кінц).

C.Н = (Н утв.прод) - (Н утв.вих).

D.Н = (Н утв.вих) - (Н утв.прод).

E.Н = (Н утв.вих) +(Н згор.кінц).

4.Вкажіть формулу зміни енергії Гіббса для ізобарноізотермічних процесів.

A.G = H + T S. В. H = G - T S. С. G = H - T S.

D.G = S + T H. Е. G = H + TS.

5.Розрахуйте швидкість хімічної реакції N2 + 3H2 = 2 NH3 при

концентраціях азоту 0,4 моль/л, водню – 1,2 моль/л і Кр = 0,105 хв.

A.0,0725.

B.0,725.

C.0,725.

D.0,691.

E.0,591.

6.За якою формулою вираховують зміну ентропії реакцій?

A.S=Sпрод. - Sвих.

B.S=Sвих. - Sпрод.

C.S=R ln(W2/W1).

D.S= G- H.

E.S= G+N H.

7.Як зміниться швидкість реакції С + СО2 = 2СО при збільшенні концентрації вихідних речовин у 5 разів?

A.Зменшиться в 5 разів

B.Збільшиться в 5 разів

C.Збільшиться в 125 разів

D.Зменшиться в 25 разів Е. Зменшиться в 10 разів

8.Теплоти окиснення білків, жирів та вуглеводів дорівнюють 16,8; 19,8; 37,8кДж/г. Добова потреба дорослої людини в білках – 100 г, жирах – 60 г, вуглеводах – 500 г. Яка калорійність цієї норми?

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Основна: Мороз А. С. Медична хімія / А. С. Мороз, Д. Д. Луцевич, Л. П. Яворська. – Вінниця: Нова книга – 2006. – С. 366-418.

Додаткова: 1. Мороз А.С. Біофізична та колоїдна хімія / А. С. Мороз, Л. П. Яворська, Д. Д. Луцевич та ін.– Вінниця: Нова книга, 2007. – С. 17-56, 76-86. 2. Загальна та неорганічна хімія: Підручник для студ. вищ. навч. закладів: у 2-х частинах. – Ч.1 / О.М.Степаненко, А.Г.Рейтер, В.М.Ледовських, С.В.Іванов. – К.:Преса, 2002. – 520 с.

Тема 8. КІНЕТИЧНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ПЕРЕБІГУ

БІОХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Хімічна кінетика закладає фундамент для вивчення біохімії, фармакології, клінічної діагностики. Вивчаючи кінетику, можна визначати швидкість надходження лікарських речовин у кров та час напіввиведення лікарських речовин з організму. За максимальною швидкістю біохімічних реакцій можна визначати активність ферментів, а за періодом напіврозкладу - термін зберігання лікарських речовин.

ТРИВАЛІСТЬ ЗАНЯТТЯ: 2 год НАВЧАЛЬНІ ЦІЛІ ЗАНЯТТЯ:

мати поняття про роль ферментів для живих систем;

пояснювати зміст термінів «хімічна кінетика», «швидкість реакції», «константа швидкості», «порядок і молекулярність реакції»;

наводити конкретні приклади, що ілюструють важливу роль хімічної кінетики для живих систем;

називати найважливіші чинники, що впливають на швидкість реакції, описувати причини впливу кожного з цих чинників на швидкість реакцій та наводити відповідні приклади;

пояснювати зміст термінів: «температурний коефіцієнт», «енергія активації», «активований комплекс», «частота зіткнень»;

пояснювати різницю між гомогенним та гетерогенним каталізом і наводити приклади для кожного з них;

наводити приклади оборотних та необоротних реакцій;

аналізувати рівняння Ареніуса;

користуватися поняттями теорії зіткнення та теорії перехідного стану для пояснення зміни швидкості реакції;

наводити енергетичну діаграму реакції з необхідними позначками та пояснювати вплив на неї каталізаторів;

записувати вирази для констант рівноваги оборотних хімічних процесів;

використовувати константу рівноваги для кількісної характеристики оборотних хімічних процесів;

користуватися принципом Ле Шательє для прогнозування зсуву рівноваги при зміні зовнішніх умов

ПОРАДИ СТУДЕНТУ

Підготуйте питання до практичного заняття і виконайте вказівки до них.

Теоретичні відомості з теми

ХІМІЧНА КІНЕТИКА

Розділ хімії, який вивчає швидкість хімічних реакцій, вплив на неї різних чинників, етапи проходження (механізм) хімічних реакцій називається хім іч но ю кі н ет и ко ю .

Шв и д кіс ть го м о ге н н и х х ім і ч ни х р еа к ц і й - відношення зміни концентрації реагуючих речовин за одиницю часу, в одиниці об’єму:

молекул або молів даної речовини, що реагують за одиницю часу на

На швидкість гомогенних хімічних реакцій впливають:

І. Природа реагуючих речовин. Речовини з йонними i полярними ковалентними зв'язками в водних розчинах взаємодiють з великою швидкістю, оскільки такi речовини в розчинах утворюють йони, якi легко взаємодiють один з одним.

Наприклад: KCl+AgNO3=KNO3+AgCl

Речовини з мало полярними зв’язками взаємодiють з рiзною швидкiстю. Наприклад: реакцiя взаємодiї водню Н2 з фтором F2 йде дуже швидко (з вибухом) при кiмнатнiй температурi, а реакцiя взаємодiї Н2 з бромом Br2 йде повiльно навiть при нагрiваннi.

ІІ. Тиск ( для газових систем) – зі збільшенням тиску зменшується об’єм системи й збільшується швидкість хімічної реакції.

ІІІ. Концентрація реагентів (табл.)

ІV. Температура (табл.)

V. Наявність каталізатора (див підрозділ «Каталіз і каталізатори»

VI. Поверхня поділу фаз (для гетерогенних реакцій) - швидкість реакцій пропорційна поверхні дотику реагуючих речовин (V Sдотику).

Таблиця.17. Чинники, що впливають на швидкість реакцій