Элементы химической термодинамики

Термодинамика – это наука, изучающая взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии в форме теплоты и работы.

Основным источником энергии для организма человека является химическая энергия, заключенная в пищевых продуктах, часть которой (за вычетом энергии, выводимой из организма с продуктами жизнедеятельности) расходуется на:

1) совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением и т.д.;

2) нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой воды и пищи;

3) покрытие потерь теплоты в окружающую среду с выдыхаемым воздухом и с продуктами жизнедеятельности и т.д.

Химическая энергия также расходуется на совершение внешней работы, связанной с перемещениями человека, его трудовой деятельностью и т.д.

Белки, жиры и углеводы служат субстратами окислительного фосфорилирования – одного из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению энергии в виде АТФ.

Энергетический обмен в клетке в основном связан с расщеплением макроэргических связей АТФ. Энергия АТФ используется, например, для биосинтеза белка.

Молекулы пищевых веществ служат материалом для построения всех клеток нашего организма. В тоже время молекулы пищи «сгорают» внутри нас и снабжают организм энергией, необходимой для поддержания его постоянной температуры, физической и мысленной деятельности.

Энергию дает практически любая пища, но углеводы (сахар и крахмал) содержат ее больше других продуктов. Чтобы успешно строить клетки нашего организма, нужны более специфические вещества. Основной строительный материал в этом случае – белки и жиры. Также абсолютно необходимы витамины и минеральные соли, хотя и в очень небольших количествах.

Калория – это единица измерения количества энергии, в том числе и в продуктах питания. Например, порция жареной в масле картошки содержит 220 ккал. Откуда берется эта энергия? Ответ прост. Вся энергия пищи – это сохраненная энергия солнечного света.

При фотосинтезе растения поглощают солнечную энергию и синтезируют из простых молекул большие, богатые энергией молекулы.

6СО₂ + 6Н₂О + 686 ккал = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Энергия Солнца переходит в химическую энергию молекул. При попадании в организм они окисляются с выделением энергии. Так, в конечном итоге мы используем энергию Солнца.

Термохимия

Раздел термодинамики, изучающий превращение энергии при протекании химических процессов, называется химической термодинамикой, или термохимией.

В термохимии уравнения химических реакций называются термохимическими. Для них характерны:

- эти уравнения записывают с учетом термодинамических функций состояния системы;

- учитывается 1 моль вещества, поэтому возможны дробные коэффициенты;

- в термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние веществ;

- с термохимическими уравнениями можно производить обычные алгебраические действия. Например,

1/2N_2(г) + 1/2О_2(г) = NО_(г), ΔН>0

 

Понятие о коэффициенте калорийности пищи. Коэффициенты калорийности основных компонентов пищи: белков, жиров и углеводов.

Закон Гесса и его следствия находят практическое применение в медицине. С их помощью оценивается калорийность пищевых продуктов.

Коэффициентом калорийности называют энтальпию сгорания 1 г вещества, взятую с обратным знаком. Выражается в кДж/г или ккал/г (1кал = 4,18Дж).

Основными компонентами пищи являются белки, жиры и углеводы.

Коэффициенты калорийности:

- белков 16,5 – 17,2 кДж/г;

- углеводов 16,5 – 17,2 кДж/г;

- жиров 37,7 – 39,8 кДж/г.

Для расчета калорийности порции пищи, содержащей белки (m_б), углеводы (m_у) и жиры (m_ж) используют формулу:

К_min = (m_б · 16,5 + m_у · 16,5 + m_ж · 37,7) кДж

К_max = (m_б · 17,2 + m_у · 17,2 + m_ж · 39,8) кДж

 

На основании данных по калорийности пищевых продуктов составляются научно-обоснованные нормы потребления пищевых веществ для различных групп населения в зависимости от пола, возраста, характера труда. Пользуясь этими величинами, как средними данными врач составляет нормы потребления пищевых веществ каждого пациента в отдельности.

 

Контрольные вопросы

1. Термодинамика. Основные понятия и термины. Система. Фаза. Классификация систем. Термодинамические параметры. Стандартные термодинамические параметры.

2. Термодинамические функции состояния системы. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики, формулировка, математическое выражение, философское значение, применение к биологическим системам.

3. Термодинамические функции состояния системы. Энтальпия. Энтропия. Энергия Гиббса. Химический потенциал.

4. Термохимия. Термохимические уравнения, их особенности. Закон Гесса. Энтальпии образования и сгорания. Стандартные энтальпии образования и сгорания. Следствия из закона Гесса, формулировки, математические выражения, примеры.

5. Понятие о коэффициенте калорийности пищи. Коэффициенты калорийности основных компонентов пищи: белков, жиров и углеводов.

 

Типовые задачи

Задача 1. Рассчитать калорийность булки хлеба «Бородинский» массой 450 г, если его стограммовый кусочек содержит 7,4 г белков, 57,1 г углеводов и 1,2 г жиров. Коэффициенты калорийности брать по нижней границе.

Решение

1. Найти массы белков (m_б), углеводов (m_у) и жиров (m_ж) в 450 г хлеба «Бородинский»:

2. Рассчитать калорийность булки хлеба «Бородинский» массой 450 г:

К = (m_б ·16,5 + m_{у ·} 16,5 + m_ж · 37,7) кДж

К = 33,3 · 16,5 + 256,95 · 16,5 + 5,4 · 37,7 = 4992,705 кДж

Ответ: К = 4992,705 кДж.

 

Задача 2. Определить изменение энтальпии химической реакции:

2С₂Н₅ОН_(ж) → С₂Н₅-О-С₂Н_5(ж) + Н₂О_(ж), используя следующие данные:

DН⁰_сгор С₂Н₅ОН_(ж) = –1370,00 кДж·моль^-1

DН⁰_сгор С₂Н₅ОС₂Н_(ж) = –2720,04 кДж·моль^-1

DН⁰_сгор Н₂О_(ж) = 0 кДж·моль^-1

 

Решение:

Поскольку даны энтальпии сгорания реагентов и продуктов, то используя 2-ое следствие из закона Гесса запишем:

DН⁰_р-я = SDН⁰_{сгор. реагентов} – SDН⁰_{сгор. продуктов}

Применительно к этой реакции:

DН⁰_р-я = 2DН⁰_сгорС₂Н₅ОН_(ж) – DН⁰_сгорС₂Н₅ОС₂Н_5(ж) = 2 · (–1370,00) – (–2720,04) =

-2740,00 + 2720,04 = –19,96 кДж·моль^-1.

Ответ: DН⁰_р-я = –19,96 кДж·моль^-1.

 

Задача 3. Определить стандартную энтальпию образования оксида меди (II) CuO_(к), используя следующие данные:

1) 3CuO_(к) + 2NH_3(г) = 3Cu_(к) + N_2(г) + 3H₂O_(ж), DH₁⁰ = –299,53 кДж·моль^-1

2) 1/2N_2(г) + 3/2H_2(г) = NH_3(г), DH₂⁰ = –46,19 кДж·моль^-1

3) H_2(г) + 1/2О_2(г) = H₂О_(ж), DH₃⁰ = –285,838 кДж·моль^-1

 

Решение:

Поскольку необходимо определить стандартную энтальпию образования оксида меди (II), то используя I-ое следствие из закона Гесса запишем:

DН⁰_р-я = SDН⁰_{обр. продуктов} – SDН⁰_{обр. реагентов}

Применительно к 1-ой реакции:

DН⁰_р-я = 3DН⁰_обрCu_(к) + DН⁰_обрN_2(г) + 3DН⁰_обрН₂О_(ж) – (3DН⁰_обрCuО_(к) – 2DН⁰_обрNH_3(г)).

Учитывая, что в термохимии энтальпии образования простых веществ азота N_2(г) и меди Cu_(к) приняты равными нулю и раскрыв скобки, получаем следующее уравнение:

DН⁰_р-я = 3DН⁰_обрН₂О_(ж) – 3DН⁰_обрCuО_(к) – 2DН⁰_обрNH_3(г).

Переносим в левую часть уравнения DН⁰_обрCuО_(к) с обратным знаком и получаем:

Подставим числовые значения указанных параметров:

Ответ: DН⁰_обр CuО_(к) = - 155,20 кДж·моль^-1.

Задача 4. Рассчитать величину стандартного изобарно-изотермического потенциала для следующей реакции: 2C₄H_10(г) + 5О_2(г) → 4CH₃COOH_(ж) + 2Н₂О_(ж), используя следующие данные:

DН⁰_р-я = –2267,94 кДж·моль^-1

DS⁰_р-я = –866,30 Дж·моль^-1

Решение:

Поскольку даны значения энтальпийного и энтропийного факторов, то для расчета стандартного изобарно-изотермического потенциала используем следующее уравнение:

DG⁰_р-я = DН⁰ – Т·DS⁰

Прежде, чем подставить в это уравнение значения указанных параметров, необходимо перевести величину энтропийного фактора в кДж·моль^-1. Это будет составлять –0,866 кДж·моль^-1.

Подставляем цифровые значения указанных величин в приведенное уравнение. При этом учитываем, что стандартная температура составляет 298 К:

DG⁰_р-я= –2267,94 – 298 · (–0,866) = –2009,782 кДж·моль^-1

Ответ: DG⁰_р-я= –2009,782 кДж·моль^-1

 

Тестовые задания для самоконтроля