Тема 3: Химическая термодинамика и её применение к биосистемам

Дайте краткий ответ на теоретические вопросы:

1.Внутренняя энергия и энтальпия индивидуальных веществ и многокомпонентных систем.

Внутренняя энергия системы. Внутренняя энергия любой системы состоит из энергии составляющих ее частей, т.е. атомов и молекул. Энергии атомов и молекул состоят из кинетической энергии движения, энергии взаимодействия электронов и ядер, потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия и т.д. Однако в настоящее время не существуют методы определения внутренней энергии. Поэтому в термодинамических расчетах определяют изменение внутренней энергии: ΔU=U2-U1 Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики: для изолированной системы (для которой исключен любой материальный или энергетический обмен с окружающей средой) внутренняя энергия постоянна (U=const, ΔU=0). Внутренняя энергия является экстенсивной величиной, то есть зависит от массы системы, в отличие от интенсивных величин (давления, температуры), не зависящих от массы. Протекание химической реакции сопровождается изменением внутренней энергии реагирующих систем. Если внутренняя энергия системы уменьшается (ΔU<0), то реакция протекает с выделением энергии (экзотермические реакции). Если же внутренняя энергия системы возрастает (ΔU>0), то процесс сопровождается поглощением энергии из внешней среды (эндотермические реакции). Если в результате протекания химической реакции система поглотила количество теплоты Q и совершила работу А, то изменение внутренней энергии ΔU определяется уравнением ΔU =Q-A. Согласно закону сохранения энергии, ΔU зависит только от начального и конечного состояния системы, но не зависит от способа осуществления процесса. Напротив, Q и А при разных способах осуществления процесса будут различаться: функцией состояния является только разность этих величин, но не каждая из них в отдельности. Функции U, Q, А обычно выражаются в Дж или кДж. Если реакция протекает при постоянном объеме (ΔV=0, изохорный процесс), то работа расширения системы (А=Р* ΔV, где Р = давление системы) равна нулю. Если при этом не совершаются другие виды работы (например, электрическая), то ΔU = QV, где Qv - тепловой эффект реакции (т.е. количество поглощенной системой теплоты), протекающей при постоянном объеме. В случае экзотермической реакции Qv<0, для эндотермической реакции Qv>0. Химические реакции чаще осуществляются не при постоянном объеме, а при постоянном давлении (ΔР=0, изобарный процесс). В подобных случаях для характеристики процесса удобнее пользоваться не внутренней энергией, а энтальпией Н. Энтальпия системы. Термохимия. Энтальпия определяется соотношением H=U+P*ΔV. Как видно, энтальпия имеет ту же размерность, что и внутренняя энергия, и поэтому обычно выражается в Дж или кДж. При постоянном давлении ΔH=ΔU+P* ΔV, т.е. изменение энтальпии равно сумме изменения внутренней энергии и совершенной системой работы расширения. Если при этом никакие другие виды работы не совершаются, то ΔH=QP, где Qp — тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении. Для экзотермической реакции Qp<0, для эндотермической Qp>0. Изменение внутренней энергии или энтальпии принято относить к тому случаю, когда все исходные вещества и все продукты реакции находятся в стандартных состояниях. Стандартным состоянием вещества называется его состояние в виде чистого вещества при давлении (в случае газов - при парциальном давлении данного газа), равном нормальному атмосферному давлению (101,325 кПа или 760 мм рт.ст.) и температуре 298,15 К. Условия, при которых все участвующие в реакции вещества находятся в стандартных состояниях, называются стандартными условиями протекания реакции. Отнесенные к стандартным условиям изменения соответствующих величин, называются стандартными изменениями и их обозначения снабжаются верхним индексом °: ΔU0 -. стандартное изменение внутренней энергии при химической реакции, АН0 - стандартное изменение энтальпии при химической реакции. Стандартная энтальпия реакции образования 1 моля данного вещества из простых веществ называется стандартной энтальпией образования этого вещества, она измеряется в кДж/моль. Например:

 

 

2.Теплота и работа. Теплоты химических реакций при постоянной температуре или P и V.

Термохимические уравнения записываются как обычные химические уравнения реакций, но с указанием величины, и знака теплового эффекта реакции. Поскольку химические эксперименты проводятся в большинстве случаев при постоянном давлении, поэтому в дальнейшем тепловые эффекты реакции будут выражаться через изменение энтальпии (дельта H), кот.приведены в большинстве термодинамических таблиц и справочниках. Пользуясь известными -дельтаU=Qv,

-дельта H=Qp, можно рассчитать остальные величины.

 

Решите задачи:

Задача 1

Определите как изменится энтропия в следующей реакции: , полученный ответ подтвердите расчетами, если:

Решение Дельта Н= 2*240,2 – (2*210,6 + 205)= -245,8Дж/моль

Задача №2

Мужчина выпил на вечеринке в пересчете на абсолютный спирт 46 г этанола С₂Н₅ОН. Считать, что этанол полностью окисляется в организме по уравнению:

С₂Н₅ОН_(ж) + 3О_2(г) = 2СО_2(г) + 3Н₂О_(ж)

DН⁰_обр (С₂Н₅ОН) = -1278 кДж/моль;

DН⁰_обр (Н₂О) = -286 кДж/моль;

DН⁰_обр (СО₂) = -394 кДж/моль.

Решение Термохимические расчеты основаны на законе Гесса. Стандартная энтальпия окисления этанола может быть рассчитана по уравнению:

DН⁰_окисл.(С₂Н₅ОН) = 2DН⁰_обр(СО₂) + 3DН⁰_обр(Н₂О)DН⁰_обр(С₂Н₅ОН) =

2×(394) + 3×(286) – (278) = 788 – 858 + 278 = 1368кДж.

Так как DН⁰_окисл.(С₂Н₅ОН) < 0, то процесс окисления спирта является экзотермическим.

Чтобы компенсировать излишества, мужчина должен бегать трусцой:

1368 кДж / 920 кДж/ч = 1,49 ч.

Вопросы:

1.На основании какого закона проводятся термохимические расчеты?

2.По какому уравнению можно рассчитать стандартную энтальпию окисления глюкозы?

Рассчитать стандартную энергию Гиббса для реакции окисления глюкозы:

С₆H₁₂O_6(тв.) + 6O_2(газ) = 6CO_2(газ) + 6H₂O_(жидк.).

по известным данным:

	H2O	CO2	С6H12O6	O2
, кДж/моль	-286	-393,5	–1274,5
, Дж/(моль×K)

 

Решение.

Значения стандартных энтальпии и энтропии реакции рассчитаем при помощи первого следствия из закона Гесса:

= 6 CO₂ + 6 H₂O - С₆H₁₂O₆ - 6 O₂ =

= 6×(-393,5) + 6×(-286) - (-1274,5) - 6×0 = -2803 кДж;

= 6 СО₂ + 6 H₂O - С₆H₁₂O₆ - 6 O₂ =

= 6×214 + 6×70 - 212 - 6×205 = 262 Дж/К = 0,262 кДж/К.

Стандартную энергию Гиббса реакции найдем из соотношения:

= - T× = -2803 кДж - 298,15 K×0,262 кДж/К =

= -2881 кДж.

 

3.Каким является процесс окисления спирта: экзотермическим или эндотермическим?

4.Какое количество энергии получит организм пациента?

5.Какое время мужчина должен бегать трусцой (расход энергии 920кДж/ч), чтобы компенсировать излишества? 1368 кДж / 920 кДж/ч = 1,49 ч.

 

Ответьте на тесты:

1. Открытой термодинамической системой является

1. химическая реакция, идущая в термостате

2. клетка (животная или растительная)+

3. популяция

4. биогеоценоз

5. биосфера

2. Для живых организмов характерно состояние

1. равновесное

2. стационарное

3. неравновесное

4. абсолютное равновесное

5. относительное равновесное +

3. Процессы, протекающие в организме человека, являются

1. изобарными

2. изохорными

3. изотермическими

4. изобарно-изотермическими

5. изохорно-изотермическими +

4. Энергия, зависящая только от термодинамического состояния системы

1. энтальпией +

2. энергией Гиббса

3. связанной энергией

4. свободной энергией

5. внутренней энергией

Занятие №4