Тема 11. Тепловые эффекты химических реакций. Химическая термодинамика.

Все химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами: выделением или поглощением тепла, света, энергии. Термодинамика изучает взаимные превращения различных видов энергии, отвечает на вопрос о возможности и направлении процессов, рассчитывает их тепловые эффекты.

Превращение энергии в биологических системах изучает биоэнергетика – раздел химической термодинамики, базирующийся на положениях, согласно которым ко всем живым системам можно применять законы термодинамики. Живая клетка организма в целом является открытой термодинамической системой, в которую беспрерывно поступают и выводятся вещества, а также осуществляется обмен энергии с окружающей средой.

В последние годы методы биоэнергетики применяются при исследовании таких биохимических процессов, как тканевое дыхание, фотосинтез, гликолиз, а так же при изучении некоторых физиологических процессов на клеточном уровне. Сравнение биоэнергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний на ранних стадиях.

Теоретические вопросы.

1. Энергетика химических и фазовых преобразований. Термодинамические системы, параметры и функции состояния. Термодинамический процесс.

2. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия и энтальпия. Тепловой эффект изохорного и изобарного процессов.

3. Термохимические уравнения, их особенности. Закон Гесса и следствия из него.

4. Термохимические расчеты для энергетической характеристики биохимических процессов и оценки калорийности продуктов питания.

5. Второй закон термодинамики. Энтропия, как мера неупорядоченности системы. Уравнение Больцмана. Термодинамические потенциалы: энергия Гиббса, энергия Гельмгольца.

6. Термодинамические условия равновесия. Критерии направления самопроизвольно протекающих процессов.

7. Термодинамика открытых систем. Экзэргонические и эндэргонические процессы в организме. Макроэргические соединения.

Набор заданий для контроля самоподготовки

Задание 1.

Термодинамика изучает свойства различных термодинамических систем и происходящие в них процессы. Определите систему, осуществляющую обмен с другими системами только энергией.

1. Изолированная;

2. Закрытая;

3. Равновесная;

4. Открытая;

5. Гетерогенная.

Задание 2.

Все биохимические процессы в организме человека протекают при постоянном давлении. Укажите тип такого процесса.

1. Изотермический;

2. Изохорный;

3. Изобарный;

4. Равновесный;

5. Адиабатический.

Задание 3.

Первый закон термодинамики является отображением всеобщего принципа сохранения энергии. Укажите математическое выражение этого закона.

1. ΔH = ΔU + A;

2. ΔU = Q - A;

3. ΔG = ΔH  TΔS;

4. ΔS = ΔQ/T;

5. ΔG = ΔG° + R T lnKp.

Задание 4

Внутренняя энергия – это полная энергия системы (за исключением потенциальной и кинетической энергии), состоящая из энергии движения молекул, энергии межмолекулярного взаимодействия, энергии движения атомов в молекулах и т.п. Укажите уравнение, которое используется для расчета данной величины.

1. U = pV  H;

2. U = H  pV;

3. U = S  H;

4. U = H + pV;

5. U = G  pV.

Задание 5.

Закон Гесса позволяет рассчитывать тепловые эффекты реакций, протекающих в животных и растительных организмах. Укажите уравнение, отвечающее следствию из данного закона.

1. Q = U + A;

2. H_{реакции} = U + A;

3. S = Q/T;

4. H_{реакции} = H_прод - Н_исх.;

5. S = k ln W.

Задание 6.

В реальных системах термодинамический процесс может сопровождаться и увеличением, и уменьшением энтропии. Укажите, при каком из процессов энтропия уменьшается.

1. Плавления;

2. Испарения;

3. Полимеризации;

4. Диссоциации;

5. Возгонки.

Задание 7.

Необратимые процессы старения организма связаны с изменением энтропии. Укажите тип данной энергии.

1. Связанная;

2. Внутренняя;

3. Свободная энергия Гиббса;

4. Рассеянная;

5. Полная энергия системы.

Задание 8.

Изменение свободной энергии Гиббса (G)  это максимальная работа, которую организм выполняет за определенное время. Укажите уравнение, при помощи которого можно рассчитать данную термодинамическую функцию.

1. G = TS  H;

2. G = TS + H;

3. G = U  H;

4. G = H  U;

5. G = H  TS.

Задание 9.

Перекись водорода, применяемая в медицинской практике в качестве антисептика, неустойчивое соединение, медленно разлагающееся под действием света. Укажите термодинамическую функцию, которая может служить критерием данного процесса при постоянной температуре и объеме.

1. Энтальпия;

2. Энергия Гельмгольца;

3. Энергия Гиббса;

4. Энтропия;

5. Внутренняя энергия.

Задание 10.

В биоэнергетике при изучении биохимических реакций принято пользоваться значениями ΔG° при рН = 7. Процессы дыхания, усвоения пищи протекают при ΔG < 0. Укажите название таких реакций в биохимии.

1. Эндэргонические;

2. Гомогенные;

3. Обратимые;

4. Экзэргонические;

5. Эндотермические.