Тема: Тепловые эффекты химических реакций. Термодинамические характеристики химических и биохимических процессов
С.А. Сергеева, В.Е. Рябинин
Практикум по химии
Митохондрии- «энергетические станции» клетки, отвечающие за кислородное дыхание
|
| Эволюционное прошлое митохондрий, их бактериальное происхождение породило неожиданный побочный эффект, весьма неприятный для людей,
| т.к. разрушенные митохондрии, сходные по своей структуре с компонентами бактериальных клеток, иммунной системой распознается как инфекция.
|
Рекомендовано
Ученым советом ГБОУ ВПО ЧелГМА Минздравсоцразвития России
в качестве учебного пособия для самостоятельной аудиторной и
внеаудиторной работы студентов, обучающихся
по специальности 060105.65 – Стоматология
Челябинск 2012
УДК
ББК
Рецензенты:
| В. В. Авдин, заведующей кафедрой экологии и природопользования, декан химического факультета ФГБОУ ВПО Южно-Уральского государственного университета, директор НОЦ "Нанотехнологии", профессор, д.х.н.
| |
| С.Г. Левина,профессор кафедры химии и методики преподавания химии, декан естественно-технологического факультета ЧГПУ, д.б.н.
| Авторы:
| С.А. Сергеева, ст. преподаватель кафедры биохимии ГБОУ ВПО ЧелГМУ Минздравсоцразвития России, к.б.н.
В.Е. Рябинин, профессор кафедры биохимии ГБОУ ВПО ЧелГМУ Минздравсоцразвития России, д.б.н.
| | | | Элементы химической термодинамики и кинетики: учебное пособие к лабораторному практикуму по химии /С.А. Сергеева, В.Е. Рябинин. Челябинск: Издательство «Челябинский государственный медицинский университет», 2012. – 35 с.: ил.
Представлены практические задания по разделу биофизической химии: газы и жидкости, первый и второй законы термодинамики, термохимия, химические равновесия, химическая кинетика и катализ. Пособие содержит ситуационные задачи с образцами их решения, имеет большое число вопросов и задач, а также тесты для самоконтроля. В пособии подробно описаны методики выполнения лабораторных работ, а также физико-химические принципы проведения эксперимента и обработки результатов измерений, что повышает профилизацию предмета. В конце пособия приведены справочные данные о свойствах важнейших неорганических и органических соединений.
Пособие составлено с учетом требований Федерального Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 060201– Стоматология, утвержденного приказом Минобрнауки РФ № 1118 от 8 ноября 2010 года.
Учебное пособие утверждено на заседании Ученого совета ГБОУ ВПО ЧелГМА Минздравсоцразвития России от 28.09 2012 протокол №1.
Учебное пособие предназначено для студентов стоматологического факультета.
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта без ссылки на издание запрещается.
Сергеева С.А., Рябинин В.Е., 2012
Изд-во «Челябинский государственный
медицинский университет, 2012
Оглавление
Введение …………………………………………………………………….
Раздел 1. Тепловые эффекты химических реакций. Термодинамические характеристики химических и биохимических процессов…………………..
1.1.Ситуационные задачи с алгоритмами их решений, эталонами ответов и с комментариями……………………………………………………………
1.2.Ситуационные задачи для закрепления материала………………………
1.3.Контрольные вопросы ……………………………………………………..
1.4.Лабораторная работа.Определение стандартной теплоты (энтальпии) реакции нейтрализации ……………………………………...
1.5.Тесты текущего уровня……………………………………………………..
Раздел 2. Кинетика химических и биохимических реакций. Химическое равновесие……………………………………………………………………….
2.1.Ситуационные задачи с алгоритмами их решений, эталонами ответов и с комментариями……………………………………………………………
2.2.Ситуационные задачи для закрепления материала ……………………...
2.3..Контрольные вопросы …………………………………………………….
2.4.Лабораторная работа. Зависимость скорости химической реакции от концентрации………………………………………………………………..
2.5.Тесты текущего уровня……………………………………………………..
Приложения ………………………………………………………………
Список литературы ……..………………………….………………...
|
|
Введение
Как невозможно научиться читать и писать, не зная алфавита, так и трудно себе представить современного специалиста в области естественных наук без знаний основополагающих законов материального мира. Так, в частности, изучение биохимических основ различных метаболических процессов невозможно без усвоения определенных знаний классической термодинамики, предсказательная ценность которой возрастает с увеличением объема изучаемой совокупности метаболитов. Именно поэтому в учебном пособии дается подробная информация о термодинамических принципах на примерах химических и биохимических процессов, рассматриваются варианты решения задач биомедицинского характера. Приобретение навыков в решении типичных задач значительно облегчает усвоение материала и помогает проводить анализ экспериментальных данных.
Определение состояния энергетического обмена в открытых системах представляет собой достаточно сложную задачу, тем не менее, в настоящее время сформулированы общие принципы применения термодинамики к неравновесным открытым системам в стационарном состоянии. Главные принципы биоэнергетики позволяют объяснить, почему протекают одни реакции и не осуществляются другие. Как известно, многие метаболические процессы регулируются энергетическим статусом клетки, ее энергетическим зарядом и потенциалом фосфорилирования. Поэтому стратегия метаболизма заключается в генерировании АТФ, восстановительной способности (НАДФН и НАДН) и различных предшественников для биосинтетических процессов.
Поскольку живые организмы получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, то особое значение приобретает рассмотрение и изучение количественных отношений, связывающих эти реакции и изменения энергии (константа равновесия, свободная энергия реакции и др.). Химические реакции можно исследовать либо путем анализа поведения участвующих в них молекул, т.е. методами химической кинетики, либо путем рассмотрения процесса переноса энергии, который сопровождает реакцию, т.е. методами химической термодинамики. В учебном пособии дается не только информация о кинетике химических и биохимических реакций, но и предлагается осуществить соответствующие лабораторные работы. Определение скоростей или исследование кинетики химических и ферментативных реакций является мощным методом изучения механизмов этих процессов и получения важной информации, как в теоретическом, так и в практическом плане.
Овладение основами химической термодинамики и кинетики является необходимой предпосылкой для успешного изучения химических основ жизнедеятельности. Пособие поможет студентам глубже усвоить основополагающие разделы химии и будет полезным при изучении биохимии и фармакологии.
Тема: Тепловые эффекты химических реакций. Термодинамические характеристики химических и биохимических процессов
Актуальность темы.Все химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами: выделением или поглощением тепла, света и 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 выделяются вещества, а также осуществляется обмен энергии с окружающей средой. Вместе с тем, процессы обмена веществ в жизнедеятельности клетки связаны с преобразованием энергии, и живые организмы при этом её получают в виде потенциальной энергии, аккумулированной в химических связях молекул жиров, белков и углеводов. В процессе биологического окисления эта энергия высвобождается, прежде всего, для синтеза АТФ. Другая часть этой энергии превращается в теплоту, выделяется в процессе биологического окисления питательных веществ и эта теплота называется первичной. Количество синтезированных молей АТФ на моль окисленного субстрата зависит от его вида и от величины коэффициента фосфорилирования, который равен количеству синтезированных молекул АТФ в расчете на один атом кислорода, потребленный при окислении восстановленных органических соединений в процессе дыхания.
В нормальных условиях при полном окислении 1 г смеси углеводов пищи выделяется 4 ккал тепла, из которых только 0,91 ккал энергии аккумулируется в синтезированной АТФ. Поэтому коэффициент полезного действия синтеза АТФ при окислении глюкозы равен: , а 77,3% химических связей глюкозы при этом превращается в первичную теплоту и рассеивается в тканях.
Энергия, аккумулированная в АТФ, в последующем используется для осуществления в организме химических, транспортных, электрических процессов, производства механической работы и, в конечном итоге, тоже превращается в теплоту, получившую название вторичной. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражены в единицах тепла – калориях или джоулях. Для определения энергообразования в организме используют калориметрию.
В последние годы методы биоэнергетики применяются при исследовании таких биохимических процессов, как тканевое дыхание, фотосинтез, гликолиз, а также при изучении некоторых физиологических процессов на клеточном уровне. В последнем случае сравнение биоэнергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний на ранних стадиях. Кроме того, расчет теплового эффекта используется в диетологии для определения калорийности пищевых продуктов.
Цель темы:Приобретение системных знаний об основных началах термодинамики и термодинамических функциях состояния системы и умение применять эти знания к конкретным системам, встречающихся в биологических объектах. Овладение навыками выполнения термохимических расчетов для прогнозирования направленности и энергетики биохимических процессов, а также экспериментального определения тепловых эффектов на примере реакция нейтрализации.
Исходный уровень. Студент должен знать из довузовского курса химии: «Тепловые эффекты химических реакций, сохранение и превращение энергии при химических реакциях. Термохимические уравнения. Молярная концентрация вещества в растворе»и из курса биологии: «Обмен веществ и превращение энергии в клетке».
Основные учебно-целевые вопросы:
1. Основные понятия химической термодинамики:
- система; типы систем (изолированные, закрытые, открытые);
- интенсивные и экстенсивные параметры системы;
- функции состояния системы;
- внутренняя энергия; работа и теплота – формы передачи энергии;
- термохимические процессы (изотермические, изобарные, изохорные);
- термодинамические обратимые (равновесные) и необратимые процессы; стандартное состояние.
1.2. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Стандартная энтальпия образования и сгорания веществ.
1.3. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и следствия из него.
1.4. Второе начало термодинамики. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов в изолированных и закрытых системах; роль энтальпийного и энтропийного факторов. Термодинамические условия равновесия.
1.5.Экзергонические и эндергонические процессы в организме. Макроэргические соединения.
1.6.Химическая термодинамика как теоретическая основа химических процессов и биоэнергетики
Учебная карта темы.
1. Практическая часть:
1.1. Примеры решение ситуационных задач.
1.2. Вопросы и ситуационные задачи для закрепления материала.
1.3. Контрольные вопросы.
2. Экспериментальная часть(лабораторная работа).
3. Контроль усвоения темы(тесты текущего уровня).
Практическая часть
1.1.Ситуационные задачи (№№ с 1 по 7) с алгоритмами их решений, эталонами ответов и с комментариями.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|