Элементы химической термодинамики и биоэнергетики

При изучении темы "Элементы химической термодинамики ж биоэнер­гетики" рекомендуем придерживаться следующего плана:

1. Введение. Предмет и задачи химической термодинамики.

2. Основные понятия н величины химической термодинамики.

3. Тепловые эффекты химических и биохимических процессов.

4. Направление самопроизвольного протекания химических и био­химических процессов.

5. Химическое равновесие с точки зрения термодинамики.

6. Некоторые приложения химической термодинамики к исследова­нию процессов в живых организмах.

I. Введение. Предмет и задачи химической термодинамики.

При протекании химических реакций происходит не только превраще­ние одних веществ в другие, но и взаимное превращение различных видов энергии. Так, например, реакции горения сопровождаются излучением те­пловой и световой энергии. За счет энергии, выделяющейся в ходе био­химических окислительно-восстановительных реакций, существуют живые организмы.

В процессе любой химической или биохимической реакции имеет место какой-либо из двух типов взаимного превращения энергии:

а/ химическая энергия, аккумулированная в исходных веществах, пе­реходит в какую-то другую форму энергии /тепловую, световую, механическую, электрическую и пр./; б/ энергия извне в той или иной форме в ходе реакции поглощается реакционной смесью и переходит в химическую энергию /энергию химических связей/, аккумулирующуюся в продуктах реакции.

/ Вспомните известные вам примеры реакций, иллюстрирующих оба типа превращения энергии./

Наиболее распространенной формой энергии, выделяющейся или погло­щающейся при протекании химических реакций, является тепловая энергия. __ Реакции, идущие с выделением тепла, называются экзотермическими. Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла из окружающей среды, на­зываются эндотермическими.

Определение тепловых эффектов химических процессов, установление зависимости величины тепловых эффектов реакций от условий проведения реакций - это первая из рассматриваемых в этих рекомендациях задач химической термодинамики.

С энергетикой химических процессов непосредственно связан и вопрос о возможности их самопроизвольного протекания. Например, цинк, опущенный в раствор сульфата меди, самопроизвольно вступает в реакцию: Zn+ СuSО₄ == Сu + ZnSO₄ . Если эту реакцию проводить не путем простого контакта цинка с раствором СuSО₄, а электрохимическим способом /в галь­ваническом элементе/, то химическая энергия, выделяющаяся в результате реакции, превращается в электрическую энергию, за счет которой может быть совершена работа. В противоположном направлении (Сu + ZnSO₄ == == CuSO₄ + Zn) эта реакция самопроизвольно протекать не может, её мож­но осуществить только при затрате работы извне. Говорят, что Zn и СuSО₄ обладают химическим сродством друг к другу, а Сu и ZnSO₄ - не обладают В общем случае, если вещества А и В способны к самопроизвольному /без затраты работы извне/ взаимодействию, они обладают химическим сродством друг к другу.

Решение вопроса о химическом сродстве, т.е. о возможности самопроиз­вольного протекания данной реакции в данном направлении, установление количественного критерия принципиальной осуществимости того или иного процесса является второй из обсуждаемых здесь задач химической термоди­намики.

Большинство химических реакций завершается установлением состояния химического равновесия, которое, с точки зрения химической кинетики /уш ния о скоростях реакций/, характеризуется равенством скоростей прямой и обратной реакций и неизменностью во времени концентраций участвующих в реакции веществ. Состояние равновесия для различных реакций устанавли­вается при различном соотношении концентраций исходных веществ и продук тов реакции, т.е. при различной полноте превращения одних веществ в дру гие. Полнота превращения исходных веществ в продукты реакции зависит от условий установления равновесия и характеризуется константой равновесия

Методы химической термодинамики позволяют рассчитывать константы химических равновесий для различных процессов и устанавливают зависи­мость константы равновесия от различных факторов. Это третья из рассма­триваемых в этой лекции задач химической термодинамики.

Итак, в кратком изложении.обсуждаемые нами задачи химической термо­динамики сводятся к следующему:

I.Определение тепловых эффектов химических процессов.

2.Выяснение критерия возможности самопроизвольного протекания дан­ной химической реакции в данном направлении.

3.Установление степени превращения исходных веществ в продукты ре­акции, т.е. соотношение их концентраций при достижении состояния химического равновесия.Химическая термодинамика является приложением .общей термодинамики к химическим процессам. Мы не обсуждаем здесь предмет и задачи термоди­намики в целом, т.к. это обсуждение проводится в курсе физики.

Аппарат химической термодинамики в той или иной степени применим к исследованию химических процессов, протекающих в живых организмах, поэ­тому химическая термодинамика является теоретической основой биоэнерге­тики. Знание основных законов термодинамики позволяет будущему врачу по­лучить ясные представления об энергетическом балансе человеческого орга­низма, установить калорийность потребляемой человеком пищи, выяснить особенности преобразования одних видов энергии в другие в процессе жив-недеятельности, получить в свои руки объективные критерии, с помощью ко­торых можно судить об осуществимости тех или иных реакций в человеческом организме.