Энергия. Нормируемые показатели

Суточные энерготраты определяются энерготратами на конкретные виды деятельности и ВОО. ВОО зависит от ряда факторов, в первую очередь, от возраста, массы тела и пола.

У женщин: ВОО на 15% ниже, чем у мужчин (таблица 1). При беременности и грудном вскармливании потребности в энергии увеличиваются в среднем на 15 и 25% соответственно.

У детей: в период новорожденности 15% потребляемой с пищей энергии тратится на рост. С возрастом отношение ВОО/масса тела постепенно снижается до наступления полового созревания. Максимальной потребности в энергии соответствует быстрый рост в подростковом возрасте (пубертатный период, таблица 2).

Расход энергии на адаптацию к холодному климату в районах Крайнего Севера – увеличивается в среднем на 15%.

Суточные энерготраты на конкретный вид деятельности – это произведение ВОО на соответствующий КФА.

Физиологические потребности в энергии для взрослых составляют от 2100 до 4200 ккал/сутки для мужчин и от 1800 до 3050 ккал/сутки для женщин.

Физиологические потребности в энергии для детей – 110-115 ккал/кг массы тела для детей до 1 годаи от 1200 до 2900 ккал/сутки для детей старше 1 года.

Таблица 1

Средние величины основного обмена взрослого населения России (ккал/сутки)

Мужчины (основной обмен)	Женщины (основной обмен)
Масса тела, кг	18-29 лет	30-39 лет	40-59 лет	Старше 60 лет	Масса тела, кг	18-29 лет	30-39 лет	40-59 лет	Старше 60 лет

 

Таблица 2

Средние величины основного обмена детского населения

Возраст	Основной обмен, ккал/кг массы тела	Основной обмен, ккал/сутки
1 мес.
до года
от 1 до 3 лет
от 3 до 7 лет
от 7 до 11 лет
от 11 до 18 лет		> 690

 

Источники энергии

Основными источниками энергии являются углеводы, жиры и белки пищи.

Углеводы

Углеводы пищи представлены преимущественно полисахаридами (крахмал), и, в меньшей степени, моно-, ди- и олигосахаридами. 1 г углеводов при окислении в организме дает 4,1 ккал.

Физиологическая потребность в усвояемых углеводах для взрослого человека составляет 50-60% от энергетической суточной потребности (от 257 до 586 г/сутки).

Физиологическая потребность в углеводах для детей до года 13 г/кг массы тела, для детей старше года от 170 до 420 г/сутки.

Жиры

Жиры представлены преимущественно триацилглицеридами. 1 г жира при окислении в организме дает 9,3 ккал.

Физиологическая потребность в жирах – от 70 до 154 г/сутки для мужчин и от 60 до 102 г/сутки для женщин.

Физиологическая потребность в жирах для детей до года – 5,5-6,5 г/кг массы тела, для детей старше года – от 40 до 97 г/сутки.

Белки

Источниками белков являются продукты, как животного, так и растительного происхождения. Белки животного происхождения содержат полный набор незаменимых аминокислот в количестве достаточном для биосинтеза белка в организме человека. Белки животного происхождения усваиваются организмом на 93-96%. Для взрослых рекомендуемая в суточном рационедоля белков животного происхождения от общего количества белков – 50%. Для детей рекомендуемая в суточном рационедоля белков животного происхождения от общего количества белков – 60%. В белках растительного происхождения (злаковые, овощи, фрукты) имеется дефицит незаменимых аминокислот. Белок из продуктов растительного происхождения усваивается организмом на 62-80%. Белок из высших грибов усваивается на уровне 20-40%.

1 г белка при окислении в организме дает 4,1 ккал.

Физиологическая потребность в белке для взрослого населения - от 65 до 117 г/сутки для мужчин, и от 58 до 87 г/сутки для женщин.

Физиологические потребности в белке детей до 1 года – 2,2-2,9 г/кг массы тела, детей старше 1 года от 36 до 87 г/ сутки. Уточнение потребности в белке для детей старше 1 года сделано на основе результатов новых исследований по фактическому потреблению белка большинством детей обследованной популяции.

 

Вопросы для самоконтроля знаний:

Дополните фразы:

1. Химическая термодинамика изучает ……….

2. Открытой системой называют такую систему, которая …….

3. Экстенсивными называют параметры термодинамической системы........

4. Функциями состояния называют такие величины, которые ……….

5. Интенсивными являются параметры, которые ………..

6. Формы обмена энергией между системой и окружающей средой – ………..

7. Процессы, протекающие при постоянной температуре, называются ………..

8. Процессы, протекающие при постоянном давлении, называются ………

9. Внутренняя энергия системы – это ……….

10. Закон, отражающий связь между работой, теплотой и внутренней энергией – …….

11. Тепловой эффект реакции, протекающий при постоянном объеме, сопровождается изменением …………………….

12. Энтропия реакции – это ………….

13. Химические процессы, при протекании которых происходит уменьшение энтальпии системы и во внешнюю среду выделяется теплота, называются ………….

14. Процесс называют эндотермическим, если ……….

15. Закон Гесса имеет следующую формулировку: ………

16. При окислении 1 г улеводов выделяется ……. ккал, белков ….. ккал, жиров ….. ккал.

17. Функцией состояния, характеризующей тенденцию системы к достижению вероятного состояния, является ………..

18. Критерием направленности процесса в изолированной системе является ……..

19. Математическое выражение 2-го начала термодинамики для изолированных систем: ….

20. Критерием направленности процесса в изобарных условиях является ……………

Расчетные формулы:

∆Hр = ∑i n_i ∆H^о₂₉₈ обр. продуктов реакции – ∑i n_i ∆H^о₂₉₈ обр. исходных веществ реакции;

∆Hр = ∑i n_i ∆H^о₂₉₈ сгорания исходных веществ реакции – ∑i n_i ∆H^о₂₉₈ сгорания продуктов реакции;

∆Sр = ∑i n_i S^о₂₉₈ продуктов реакции – ∑i n_i S^о₂₉₈ исходных веществ реакции;

∆G = ∆Н – Т • ∆S;

∆Gр = ∑i n_i ∆G^о₂₉₈ образования продуктов реакции – ∑i n_i ∆G^о₂₉₈ образования исходных веществ реакции;

lg(K(T₂)/K(T₁)) = ∆H • (T₂ – T₁) / (2,3 • R • T₂ • T₁);

∆H = (2,3 • R • T₂ • T₁ / (T₂ – T₁) • lg(K(T₂)/K(T₁)).

Ситуационные задачи:

1. На испарение 1 моля воды требуется 40 кДж. Сколько теплоты будет потеряно за день при выделении через кожу 720 г воды?

2. Почему реакция окисления глюкозы до глюкозо-6-фосфата, являясь эндергонической, протекает в организме в прямом направлении?

3. В организме человека реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Первая – окисление этилового спирта до уксусного альдегида с участием фермента алкогольдегидрогеназы протекает по уравнению: С₂Н₅ОН + 1/2О₂ = СН₃СОН + Н₂О. Рассчитайте ΔН_р-ии, используя первое следствие закона Гесса.

4. Теплота сгорания глюкозы равна -2810 кДж/моль, теплота сгорания этилового спирта равна -1366 кДж/моль. На основании этих данных вычислите тепловой эффект биохимического процесса брожения глюкозы: С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂.

5. Теплота сгорания углеводов, белков и жиров составляет 17; 17 и 39 кДж/г. Среднесуточная потребность в белках, жирах и углеводах для студентов – мужчин составляет 113; 106 и 451 г. Какова суточная потребность студентов – мужчин в энергии?

6. Почему процесс денатурации белка трипсина при 50⁰С является самопроизвольным, хотя тепловой эффект реакции равен 2725 Дж/моль? Изменение энтропии для данной реакции 8,8 Дж/(моль·К).

7. Рассчитайте стандартную энергию Гиббса для процесса окисления глюкозы, используя справочные данные.

8. Константа равновесия разложения лекарственного вещества в автоклаве при 413 К равна 0,396·10⁵ Па, а при 443 К – 1,286·10⁵ Па. Вычислите тепловой эффект реакции.

Лабораторная работа №2.«Определение теплоты реакции нейтрализации».

Тема № 3.

Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие. Учение о растворах. Коллигативные свойства растворов.

Значение темы:

Изучение темы будет способствовать формированию следующих компетенций ОК–1; ОК–5; ОПК-1; ОПК-7; ОПК-9; ПК-5

Цель занятия: после изучения темыстудент должен

Знать:

ü правила техники безопасности и работы в физических, химических, биологических лабораториях с реактивами, приборами, животными;

ü физико-химическую сущность процессов, происходящих в живом организме на молекулярном, клеточном, тканевом, органном уровнях;

ü способы выражения концентрации веществ в растворах, способы приготовления растворов заданной концентрации;

ü свойства воды и водных растворов;

ü основные типы химических равновесий (протолитические, гетерогенные, лигандообменные, окислительно-восстановительные) в процессах жизнедеятельности;

ü электролитный баланс организма человека, коллигативные свойства растворов (диффузия, осмос, осмолярность, осмоляльность).

Уметь:

ü пользоваться учебной, научной, научно-популярной литературой, сетью Интернет для профессиональной деятельности;

ü пользоваться физическим, химическим и биологическим оборудованием;

ü прогнозировать направление и результат физико-химических процессов и химических превращений биологически важных веществ;

ü производить расчеты по результатам эксперимента.

Форма организации учебного процесса: лабораторное занятие.

Место проведения занятия: учебно-научная химическая и биохимическая лаборатория.

Оснащение занятия: химическая посуда и реактивы, интерактивная доска, проекционное оборудование, инструкция по охране труда, справочная литература, средства индивидуальной защиты.

План проведения занятия:

1.	Организационная часть	5 мин
2.	Входной контроль знаний	10 мин
3.	Разбор тематического материала	20 мин
4.	Выполнение ситуационных задач	40 мин
5.	Интерактивная работа студентов	20 мин
6.	Итоговый контроль знаний	10 мин
7.	Выполнение и оформление лабораторной работы	70 мин
8.	Домашнее задание	5 мин

Вопросы для изучения темы:

1. Понятие о скорости химической реакции. Закон действующих масс.

2. Молекулярность и порядок реакции.

3. Влияние различных факторов на скорость химической реакции. Фармакокинетика.

4. Кинетические уравнения реакций нулевого, первого, второго порядков. Размерность константы скорости. Период полураспада. Кинетика сложных реакций.

5. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса.

6. Энергия активации. Катализ. Катализаторы. Механизм их действия. Основы гомогенного катализа. Кислотно-основной катализ. Кинетика ферментативного катализа. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и субстрата. Кинетическое уравнение Михаэлиса-Ментен.

7. Обратимые и необратимые химические реакции. Условия возникновения химического равновесия. Признаки истинного химического равновесия.

8. Химический потенциал, физический смысл и математическое выражение.

9. Константа химического равновесия, способы ее выражения.

10. Уравнения изотермы и изобары химической реакции. Влияние температуры на величину константы химического равновесия. Прогнозирование смещения химического равновесия. Факторы, влияющие на смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье.

11. Понятие о стационарном состоянии живого организма, его характеристика. Сходство и отличие стационарного состояния от химического равновесия. Гомеостаз и адаптация организма.

12. Растворы, определение. Роль воды и растворов в жизнедеятельности. Физико-химические свойства воды, обуславливающие ее роль в качестве единственного биорастворителя. Строение воды, образование межмолекулярных водородных связей.

13. Концентрация растворов, способы ее выражения. Массовая доля, молярная доля, молярная концентрация, моляльная концентрация, молярная концентрация эквивалента, титр.

14. Механизм и термодинамика процесса растворения. Растворение в жидкостях твердых, жидких и газообразных веществ. Характер изменения энтальпии и энтропии в процессе растворения. Насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы.

15. Растворимость, единицы ее измерения. Влияние температуры на процесс растворения.

16. Законы Генри, Дальтона и Сеченова. Применение этих законов при лечении кессонной болезни, лечении в барокамере, и исследовании электролитного состава крови.

17. Коллигативные свойства разбавленных растворов.

18. Диффузия. Закон Фика. Роль диффузии в процессах переноса веществ в биологических системах.

19. Давление пара над раствором, причины его уменьшения. Закон Рауля.

20. Относительное понижение давления пара над раствором. Повышение температуры кипения растворов. Формулы расчета. Эбулиометрическая константа, эбулиометрический способ расчета молярной массы растворенного вещества. Понижение температуры замерзания растворов. Формулы расчета. Криометрическая константа, криометрический способ расчета молярной массы растворенного вещества.

21. Осмос. Условия, необходимые для проявления осмоса, механизм. Осмотическое давление, формулы расчета. Уравнение Вант-Гоффа. Роль осмоса и осмотического давления в биологических системах. Изотонические, гипертонические и гипотонические растворы, их применение в медицине. Гемолиз и плазмолиз.

22. Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент. Причина отклонения растворов электролитов от законов Рауля и Вант-Гоффа. Уравнение, связывающее степень диссоциации и изотонический коэффициент.

Вопросы для самоконтроля знаний:

Дополните фразы:

1. Химическая кинетика изучает …………

2. Средней скоростью гомогенной реакции называют ……..

3. Скорость химической реакции зависит от ……

4. Единицы измерения скорости химической реакции:………

5. Закон действующих масс устанавливает зависимость между скоростью химической реакции и …….

6. Величина константы скорости химической реакции зависит от ……….

7. Численное значение константы скорости реакции и скорости совпадают, если …….

8. Порядком реакции по веществу называют ……

9. Общим кинетическим порядком реакции называют ……

10. Биохимические реакции, протекающие в организме человека, преимущественно относятся к реакциям ……….. порядка.

11. Молекулярностью реакции называют …..

12. Молекулярность и порядок реакции совпадают для ………. реакций.

13. По механизму протекания химические реакции подразделяются на ……… и …….

14. Лимитирующей стадией сложной реакции называют …………

15. Сопряженными называют реакции ………..

16. Параллельными называют реакции ………..

17. Последовательными называют реакции ………..

18. Период полураспада – это ……………………

19. При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций …

20. Ускоряющее действие катализаторов обусловлено ……….

21. Отличительные свойства ферментов: ………………

22. Повышение скорости биохимических реакций при введении в систему фермента объясняется ………

23. Сродство фермента к субстрату можно оценить по величине …………..

24. Закон, определяющий соотношение между равновесными концентрациями, называется ………

25. К изменению значения константы равновесия приведут факторы: …………….

26. Значение энергии Гиббса в состоянии равновесия ………….

27. Влияние различных факторов на химическое равновесие определяет принцип ……..

28. Стационарное состояние для живого организма характеризуется ……

29. В соответствии с принципом Пригожина для стационарного состояния рассеяние энергии Гиббса открытой системой ………………

30. В биологических системах протекают совмещенные равновесия, в которых преобладает процесс, характеризующийся ………..

31. Гомеостаз – это …………

32. Ауторегулирование – это ………….

33. Растворы – …………………

34. Растворителем считается компонент раствора, ………………..

35. Универсальным растворителем является …………

36. Кислород в молекуле воды находится в …………. гибридизации.

37. Форма молекулы воды – ……………

38. Физические свойства воды ……………

39. Высокая температура кипения воды объясняется …………

40. Диэлектрическая проницаемость воды равна ………..

41. Соединения, имеющие высокое сродство к воде называются ………

42. Соединения, имеющие низкое сродство к воде называются ………

43. Физические явления при растворении – ………………

44. Химические явления при растворении – …………………..

45. Тепловой эффект процесса растворения: ∆Н_кр.р ……... 0 (…………………..).

46. ∆Н_сольв. ….. 0 (………………..).

47. При растворении твердых и жидких веществ ∆S ….. 0; ∆S …… 0 при растворении газов.

Расчетные формулы:

Кинетические уравнения для реакций:

0 – порядка:

υ = k; С0 - С = k0 • t; k0 = (С0 – С) / t(моль/л×с)

I – порядка:

υ = kI • С; С = С0 • e ^kI^×^t; lgС = lg С0 – (kI • t) / 2,3

kI = 1/t • ln(С0 / С)(с^-1); kI = 2,3/t • lg(С0 / С)(с^-1)

II – порядка:

υ = kII • С^2; С = С0/1 + kII×С0 • t; kII = 1/t • (С0-С / С0 • С)(л/моль×с)

Период полупревращения (полураспада) t_½ для реакций:

0 - порядка t_½ = С₀ / (2 • k₀);

I - порядка t_½ = 0,693 / k_I;

II - порядка t_½ = 1 / (k_II • С₀).

Уравнение Вант-Гоффа: υ_Т2 / υ_Т1 = γ ^{Т2 -Т1 / 10}.

Уравнение Аррениуса: k = А×е ^–Еа/RT;

lg(k_T2 / k_T1) = E_a • (T₂ - T₁) / (2,3 • R • T₂ • T₁);

E_a = lg (k_T2 / k_T1) • (2,3 • R • T₂ • T₁) / (T₂ - T₁).

Уравнение Михаэлиса-Ментен: V = V_max • [S] / (К_m + [S]).

∆G⁰ = - R • T • lnК_с;

∆G = - R • T • ln(К_с/П_с) = R • T • ln(П_с / К_с);

К_с = е ^{- ∆G /R×T}.

Коллигативные свойства растворов неэлектролитов:

р = К_р • c(х₁);

∆Т_зам = К_кр • b(х)= К_кр • n(х) / m_р-ля = К_кр • m(х) • 1000 / (М(х) • m_р-ля);

М(х) = К_кр • m(х) • 1000 / (∆Т_кип • m_р-ля);

∆Т_кип = К_э • n(х) / m_р-ля = Кэ • m(х) • 1000 / (М(х) • m_р-ля);

М(х) = К_э • m(х) • 1000 / (∆Т_кип • m_р-ля);

Уравнение Вант-Гоффа: π = С(х) • R • T (кПа); M(х) = m(х) • R • T / (π • V_р-ра).

Коллигативные свойства растворов электролитов:

р = i • К_р • c(х₁); π = i • С(х) • R • T; ∆Т_зам = i • Ккр • С(х); ∆Т_кип = i • Кэ • С(х);

i - изотонический коэффициент, отражает процесс диссоциации молекул на ионы. Изотонический коэффициент связан со степенью диссоциации – α = (i – 1) / (n – 1), где i – показывает реальное число ионов, на которое распадается электролит; n – число ионов.

 

Ситуационные задачи:

1. Фармпрепарат при 50⁰С в воде подвергается термическому разложению по уравнению первого порядка с константой скорости 0,071 мин^-1. Сколько времени нужно нагревать раствор при 50⁰С для того, чтобы исходная концентрация вещества, равная 0,01 моль/л, уменьшилась до 0,001 моль/л?

2. Константа скорости реакции гидролиза трипептида аланилглицилглицина, которая протекает как реакция первого порядка, равна 0,0116 мин^-1. Какое количество исходного вещества (в процентах) прореагирует за 1 час?

3. Реакция разложения пероксида водорода в водном растворе протекает как реакция первого порядка. Период полураспада при данных условиях 15,86 мин. Определите, какое время требуется для разложения 99% взятого количества пероксида водорода.

4. Из 1 кг сахарозы при превращении ее в глюкозу и фруктозу в присутствии воды и фермента, сахарозы за 5 часов осталось 0,6 кг. Какое количество сахарозы останется через 2 ч 20 мин? Определите время полураспада.

5. Константа равновесия разложения лекарственного вещества в автоклаве при 413 К равна 0,396·10⁵ Па, а при 443 К – 1,286·10⁵ Па. Вычислите тепловой эффект реакции. Рассчитайте константу равновесия, если ∆G⁰₂₉₈ для данной реакции равно – 4,478 кДж/моль.

6. Для реакции H₂ + I₂ → 2HI при 444⁰С константа равновесия равна 50. Определите направление процесса, если исходная смесь имеет следующий состав: C(H₂) = 2 моль/л, C(HI) = 10 моль/л.

7. Температура кипения раствора, содержащего 6,4 г адреналина в 360 г CCl₄, на 0,49⁰ выше температуры кипения чистого CCl₄. К_э = 5,02 кг∙К/моль. Какова молярная масса адреналина?

8. Этиловый спирт внутривенно иногда вводят при гангрене и абсцессе легкого в виде раствора с массовой долей 20%. Определите, будет ли при 37⁰С этот раствор изотоничен плазме крови? Плотность раствора принять за 1 г/мл.

9. Почему при аллергических реакциях, сопровождающихся отеками тканей, в организм вводят высококонцентрированные растворы хлорида кальция (10%) и глюкозы (20%)?

10. Сколько граммов глюкозы нужно растворить в 270 г воды для повышения температуры на 1 градус?

11. Осмотическое давление раствора гемоглобина в воде, содержащего 124 г в литре при 17⁰С равно 4400 н/м². Рассчитайте молярную массу гемоглобина.

12. Осмотическое давление плазмы крови равно 780000 н/м². Рассчитайте, сколько граммов хлорида натрия необходимо для приготовления 200 мл раствора, изотоничного плазме крови. Степень диссоциации хлорида натрия равна 95%.

13. Опишите состояние эритроцитов при 310⁰К в растворах сахарозы с массовой долей 8% (плотность 1,03 г/мл) и глюкозы 2% (1,006 г/мл).

 

Лабораторная работа №3. «Изучение зависимости скорости реакции от концентрации и температуры», «Качественные опыты по химическому равновесию», «Изучение явлений плазмолиза и гемолиза эритроцитов».

 

Тема № 4.