Влияние температуры и давления на тепловой эффект реакции

Используя справочные данные теплот образования или теплот сгорания химических веществ, можно теоретически рассчитать тепловой эффект реакции, протекающей при стандартных условиях.

Но как быть в тех случаях, когда необходимо знать тепловой эффект процесса при иных температурах и давлении (отличных от стандартных условий)?

В первом приближении можно принять, что изменения температуры и давления мало отражаются на величине DН_{(химической реакции)}. Так, например, для реакции

N_{2 (г)}+ 3H_{2 (г)}= 2NH_{3 (г)}

различие между DН _{р = 100 кПа}иDН_{р = 50 000 кПа}составляет всего около 5%, а для реакции

С _{(графит)}+ СО_{2 (г)}= 2СО _(г)

DН^о₂₉₈= 172,38 кДж, аDН^о₁₅₀₀= 165,27 кДж (различие составляет4%).

Однако такая закономерность наблюдается не всегда. В ряде процессов изменение DН _{(химической реакции)}с температурой может быть значительным даже в узком интервале температур. В общем случае оно будет тем больше, чем больше сумма теплоемкостей продуктов реакции отличается от суммы теплоемкостей исходных веществ. В таких случаях тепловой эффект реакции определяют по закону Кирхгофа:

DН _{(химической реакции)}=DН^о₂₉₈+

где DC^о_р – разность молярных теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ (с учетом стехиометрических коэффициентов).

Молярной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо сообщить одному молю вещества, чтобы изменить его температуру на один градус Кельвина.

По приведенному уравнению можно рассчитывать тепловой эффект реакции только для интервала температур, при котором в системе не происходит межфазовых превращений и изменений в кристаллической решетке твердого вещества.

Использование закона Гесса в биохимических исследованиях

Закон Гесса справедлив не только для чисто химических реакций, но и для сложных биохимических процессов. Так, количество теплоты, получаемой при полном окислении до СО₂и Н₂О углеводов и жиров в живом организме и количество теплоты, выделяемое при сжигании этих же веществ в кислороде, будет равным.

В организме окисление углеводов и жиров протекает через множество промежуточных стадий. Определить практически тепловые эффекты каждой из них не представляется возможным. Но достаточно легко можно измерить количество теплоты, выделяемое при сжигании той или иной порции вещества в кислороде.

В медицине эту выделившуюся энергию называют иначе калорийностью пищи и часто измеряют не в кДж, а в ккал и приводят не для 1 моля вещества, а для 1 г или 100 г.

Так, калорийность углеводов составляет в среднем 1650-1720 кДж/100 г (400-410 ккал/100 г). Калорийность жиров является несколько большей, чем у углеводов, и изменяется в пределах 3770-3980 кДж/100 г (900-950 ккал/100 г) (табл. 2).

Таблица 2. Химический состав и калорийность некоторых пищевых продуктов (на 100 г съедобной части)

Название продуктов	Содержание, %					Калорийность
	белки	жиры	углеводы	вода	зола	Ккал/ 100г	кДж/ 100г
Хлеб ржаной Хлеб пшеничный Крупа гречневая Крупа манная Макаронные изделия Сахар Масло подсолнечное (нерафинированное) Масло сливочное (соленое) Молоко коровье (цельное) Творог нежирный Яйцо куриное Рыба (треска горячего копчения) Говядина I категории Картофель Яблоки	6,3 7,9 12,5 11,2 11,0 - - 0,5 3,3 16,1 12,5 26,0 18,0 2,0 0,4	1,3 0,8 2,5 0,8 0,9 - 99,8 83,0 3,7 0,5 12,0 1,2 10,5 - -	46,1 52,6 67,4 73,3 74,2 99,9 - 0,5 4,7 2,8 0,5 - - 21,0 11,3	43,9 37,2 14,0 14,0 13,0 0,1 0,2 14,9 87,6 79,0 74,0 70,9 70,5 75,0 86,5	2,2 1,3 1,8 0,5 0,6 - - 1,1 0,7 0,7 1,0 1,9 1,0 1,0 0,5	227 255 351 354 358 410 928 776 67 86 165 118 171 94 51	950 1067 1469 1481 1498 1715 3883 3247 280 360 690 494 715 393 213

Тепловые эффекты, наблюдающиеся при окислении белков в организме и их сжигании в кислороде (в отличие от углеводов и жиров), как правило, отличаются друг от друга.

Это связано с тем, что конечными продуктами сжигания белков в О₂являются углекислый газ, вода и молекулярный азот (N₂).

В организме же в процессе окисления белка образуются не N₂, а такие продукты его неполного окисления, как мочевина, соли аммония, мочевая кислота и др. Тем не менее, калорийность белков обычно приравнивают к теплоте их полного сгорания СО₂, Н₂О иN₂. Хотя в условиях организма на самом деле она будет несколько ниже.

Калорийность белков находится на том же уровне, что и для углеводов, и составляет 1650-1720 кДж/100г (400-410 ккал/100г).

Зная калорийность того или иного вида пищи, можно рассчитать ее суточную потребность для человека в зависимости от характера выполняемой им работы и затрачиваемой при этом энергии. Данные расчета широко используются в диетологии для составления суточного рациона питания.

При легкой работе в сидячем положении (канцелярские работники, портные и т.д.) суточная потребность взрослого человека в энергии составляет 2000-2800 ккал. При умеренной мышечной работе (врачи, столяры, токари, трактористы) – 3000-3600 ккал. При тяжелом физическом труде (кузнецы, плотники, пахари, каменщики) – 4000-5000 ккал.

Причем желательно, чтобы энергетические затраты человека в ходе его деятельности на 55-60% покрывались за счет углеводов, на 20-25% – за счет жиров и на 15-20% – за счет белков. Это связано с тем, что пища, поступающая в организм, должна быть разнообразной и содержать в себе все ее основные компоненты. Кроме энергетической функции, она выполняет еще и ряд других функций. В частности, является источником поступления в организм множества индивидуальных соединений (незаменимых аминокислот, непредельных жирных кислот, некоторых витаминов и т.д.), которые крайне необходимы для его нормального функционирования, но синтезироваться им самостоятельно не могут.

В таблице 2 приведены химический состав и калорийность некоторых пищевых продуктов, которая отождествляется с теплотой их полного сгорания.

При правильном питании суточное потребление углеводов должно по массе в 4-5 раз превышать количество белков или жиров, причем только небольшая часть от этого количества должна потребляться в виде сахарозы (т.е. свекловичного или тростникового сахара).

В случае умеренной физической нагрузки норма суточного потребления белков для человека составляет 80-100 г, жиров – 60-70 г, углеводов – 400-500 г.