Хімічний склад і калорійність харчових продуктів

Назва продукту	Вміст,%	Калорійність кДж/кг
білки	жири	вуглеводи
Хліб житній	6,3	1,3	46,1
Хліб пшеничний	7,9	0,8	52,6
Крупа гречана	12,5	2,5	67,2
Крупа манна	11,2	0,2	73,3
Макаронні вироби		0,9	74,2
Картопля		-
Цукор	-	-	99,9
Олія соняшникова	-	99,8	-
Масло вершкове	0,5	83,0	0,5
Молоко	3,3	3,7	4,7
Сир нежирний	16,1	0,5	2,8
Яйця	12,5	12,0	0,5
Риба	26,0	1,2	-
М’ясо волове	18,0	10,5	-
Яблука	0,4	-	11,3
Горіхи	16,8	66,9	9,9

Хліб житній має менше калорій ніж пшеничний, а найбільш калорійним продуктом є соняшникова олія. Раціональне і достатнє харчування лежить в основі «якості життя».

Другий закон термодинаміки дає можливість з’ясувати напрямок перебігу самовільних процесів.

Термодинамічні процеси є зворотніми і незворотніми. Всі реальні процеси, що протікають в природі термодинамічно незворотні. Незворотні процеси можуть бути несамовільними, для здійснення яких необхідно прикласти енергію ззовні і самовільні, що протікають без затрати енергії ззовні.

Всі самовільні процеси протікають тільки до певної границі - до вирівнювання концентрацій, температур, потенціалів. Напрямок протікання самовільних процесів: встановлює другий закон термодинаміки. Він має багато визначень (більше 20), але всі характеризують незворотні процеси, визначають їх напрямки.

Деякі формулювання 2-го закону:

· самовільно можуть протікати тільки ті процеси, при яких система переходить в найбільш імовірний стан;

· теплота не може самовільно переходити від тіла з меншою температурою до тіла з більшою температурою;

· різні види енергії прагнуть перейти в теплоту, а теплота прагне рівномірно розподілитись між всіма тілами.

Мірою імовірності стану системи в термодинаміці прийнято ентропію - S. Ця величина пропорційна логарифму числа рівноймовірних мікростанів, якими може бути реалізований даний макростан.

S=RlgW

Ентропія є мірою хаотичності розміщення частинок в речовині, або тіл в системі. Ентропія характеризує ту частину внутрішньої енергії, яка в роботу перетворена бути не може.

Значення ентропії розраховують при стандартних умовах Т=298 К, р=1атм=101325 Па. S₂₉₈ приведена в «Довідниках хіміка» має розмірність Дж/моль К. Зміну ентропії хімічної реакції можна розраховувати так само як ентальпію.

S = Σ S кінц.прод.- Σ S вих.реч.

Об’єднаний перший і другий заккони термодинаміки можна відобразити рівнянням G= H-T S

де G - це є функція, яка відображає вплив ентропії та ентальпії на напрямок протікання хімічної реакції і має назву енергії Гіббса або ізобарно - ізотермічного потенціалу. Розмірність кДж/моль.

При постійній температурі і тиску хімічні реакції можуть самовільно протікати тільки в такому напрямку, при якому енергія Гіббса системи зменшується.

G <0

Так коли Н <0 (екзотермічна реакція), а S> 0 – ентропія зростає, то з рівняння G= H-T S витікає, що при всіх температурах G <0, а це значить, що реакція може протікати при будь-яких температурах.

Коли Н> 0 (реакція ендотермічна), S <0 ентропія зменшується, то G> 0 і реакція неможлива при будь-яких умовах.

Таким чином знаючи H, S, G, які залежать від природи речовини, їх агрегатного стану і концентрацій, можна розраховувати параметри і оцінювати дану реакцію. Наприклад, визначити яка це реакція – екзотермічна чи ендотермічна, може вона протікати самовільно чи ні. Ці розрахунки можна проводити і для біохімічних реакцій, що дозволить зрозуміти протікання процесів, що проходять у відкритій системі, яка і є людським організмом.

Приклад розрахунку термодинамічних параметрів процесу, який відбувається в організмі людини - це процес окислення цукру:

С₁₂Н₂₂О₁₁(к)+12О₂(г) ↔ 12СО₂+11Н₂О

H = (12* Н₂₉₈ (СО₂)+11* Н (Н₂О)) - ( Н₂₉₈ (С₁₂Н₂₂О₁₁)+12* Н (О₂)) =

= (-12*393,77 – 11*286,021) + 2220,867 = - 5650,69 кДж/моль

S = (12*S (СО₂) + 11*S (Н₂О)) – (S (С₁₂Н₂₂О₁₁) +12* S (О₂)) = (12*213,82 + 11*70,00) – (359,82 + 12*205,17) =2978,02 Дж/моль*К

G = H-T S = - 5650,69 – 298*2,978 = - 5817,5 кДж/моль

Виходячи із одержаних даних можна зробити висновок, що при окислені цукру виділяється велика кількість тепла, цей процес самовільний і можна розраховувати питому калорійність, враховуючи, що М (С₁₂Н₂₂О₁₂) = 342,3 г/моль

Такий самий характер мають основні термодинамічні параметри в процесі перетравлення білків і жирів.

Приклади розв’язування задач.

Задача 1

Визначити теплоту реакції переводу безводного купруму(ІІ) сульфату у кристалогідрат СuSO₄*5H₂O, якщо теплоти розчинення безводного і кристалогідрату купрум(ІІ) сульфату відповідно рівні – 66,1 кДж/моль і +11,7 кДж/моль.

Розв’язок.

СuSO₄(т) + аq = СuSO₄(р) H₁ = - 66,1 кДж/моль

СuSO₄(т)*5Н₂О(т) + аq = СuSO₄(р) H₂ = + 11,6 кДж/моль

де аq – це велика кількість води.

різниця цих двох рівнянь і теплових ефектів і буде описувати перетворення безводної солі в кристалогідрат:

СuSO₄(т) + 5Н₂О = СuSO₄*5Н₂О

Hр = H₁ - H₂ = - 66,1 – 11,7 = - 77,8 кДж/моль

 

Задача 2

Визначити скільки енергії може виділитись в організмі людини при окисленні 10г цукру.

Розв’язок.

Окислення вуглеводів в організмі здійснюються складним шляхом, однак згідно закону Гесса ентальпія цього процесу залежить тільки від початкового і кінцевого стану реакції і не залежить від проміжних процесів. Отже, ми можемо вважати, що кінцевим продуктами реакції є СО₂ і Н₂О.

С₁₂Н₂₂О₁₁ + 12О₂ = 12СО₂ + 11Н₂О

Hр = ∑ Hпрод. - ∑ Нвих.реч. = (12* H (СО₂) + 11* H (Н₂О)) – ( H (С₁₂Н₂₂О₁₁ + 12* H (О₂))

Використавши дані ”Довідника хіміка” розрахуємо Hр

Hр = [12(-393,777) + 11(-286,021) – (-2220,867)] = 5650,69 кДж/моль

Знаючи, що Hр = - Q можна сказати, що ця реакція є екзотермічною і при окисленні 1моля цукру виділяється 5650,69 кДж теплоти.

М(С₁₂Н₂₂О₁₁) = 342,3 г/моль

а отже питома калорійність:

Висновок: із 10 г цукру буде виділятись 165,1 кДж тепла.

 

Задача 3

Чи може в стандартних умовах самовільно протікати в прямому напрямку наступна реакція: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О. Як впливає температура на напрямок протікання реакції?

 

Розв’язок.

Для встановлення самовільного чи несамовільного протікання процесу використаєм залежність G= H-T S. Використовуючи дані ”Довідника з хімії” розрахуємо H і S реакції:

Hр = ∑ Hпрод. - ∑ Нвих.реч = 2 H (Н₂О) – (2 H (Н₂) + H (О₂)) = 2*(-285,84) = = -571,68 кДж/моль

Sр = ∑ Sпрод. - ∑ Sвих.реч = 2 S (Н₂О) – (2 S (Н₂) + S (О₂)) = 69,96*2 – (2*130,6 + 205,03) = 657,47 Дж/моль*К

Звідки G= H-T S = -571,68 – 298*657,47*10^-3 = -767,6 кДж/моль.

Так як G <0, то це значить що реакція може самовільно протікати, причому з виділенням великої кількості теплоти. При збільшенні температури G буде мати ще менше значення, а отже температура на напрямок реакції не впливає.

Задача 4

Для забезпечення нормальної діяльності студента необхідно затратити 12500 – 15000 кДж (3000 – 3600 ккал) енергії. Розрахувати в якій кількості хліба, цукру,масла міститься необхідна кількість енергії.

Розв’язок.

Із таблиці хімічного складу і калорійності харчових продуктів знаходимо, що калорійність пшеничного хліба складає – 10670 кДж/кг, а отже для одержання 12500 кДж енергії необхідно:

калорійність цукру – 17150 кДж/кг, а значить

калорійність масла вершкового – 32470 кДж/кг, а значить

отже, для забезпечення нормальної діяльності студента необхідна енергія міститься в:

1,172 – 1,406 кг хліба

0,729 – 0,875 кг цукру

0,385 – 0,462 кг масла

ЗАНЯТТЯ №11

Тема: основи хімічної термодинаміки та біоенергетики.

Актуальність теми: Хімічна термодинамікавивчає перетворення різних видів енергії при хімічних реакціях, процесах розчинення, випаровування, кристалізації та ін. Знання законів хімічної термодинаміки дає змогу передбачити можливість протікання даної реакції при певних умовах, знайти ступінь перетворення, вихід кінцевого продукту, тепловий ефект та ін. Закони термодинаміки стосуються і тих процесів, що протікають у живих організмах. Вони дають змогу глибше зрозуміти і пояснити ці процеси, оцінити можливість їх протікання.

Навчальні цілі:

Знати: основні поняття термодинаміки, види енергії, закони термодинаміки, взаємозв’язок і перетворення видів енергії.

Вміти:. визначати ентальпію процесів розчинення солей, утворення кристалогідратів і нейтралізації між кислотними і основними компонентами, розрахувати значення ентальпії, ентропії та енергії Гіббса за довідниками даними і пронозувати можливість чи неможливість самовільного протікання реакцій.

Самостійна позааудиторна робота студентів.

1. Хімічна термодинаміка як теоретична основа біоенергетики.

2. Основні поняття термодинаміки: системи, параметри стану і функції стану системи.

3. Внутрішня енергія і ентальпія.

4. Перший закон термодинаміки.

5. Закон Гесса і термохімічні рівняння.

6. Стандартні теплоти утворення хімічних сполук.

7. Термохімічні розрахунки і їх використання для енергетичної характеристики біохімічних процесів.

8. Другий закон термодинаміки.

9. Ентропія – міра впорядкованості енергії.

10. Рівняння Гіббса і його значення.

11. Критерії і напрям самовільних хімічних процесів.

12. Стандартні термодинамічні величини деяких продуктів харчування і кінцевих продуктів метаболізму.

13. Підготувати вихідні дані для оформлення протоколу лабораторної роботи.

Контрольні питання.

1. Дайте визначення поняттю система, фаза, компонент, ізобарний процес, ізохорний процес, ентальпія, енергія Гіббса,тепловий ефект реакції.

2. Перший та другий закони термодинаміки.

3. Закон Гесса, наслідок із закону Гесса.

4. Обчислити теплоту розчинення хлориду натрію, якщо при розчиненні у воді 12,69 г хлориду натрію поглинається 1,07 кДж теплоти.

5. Розрахуйте теплоту утворення кристалогідрату Na₂SO₃*7H₂O, якщо теплоти розчинення DН (Na₂SO₃)= 11 кДж/моль, DН (Na₂SO₃*7H₂O)=47 кДж/моль.

6. Обчисліть DН для реакцій:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

4NH₃ + 3O₂ =2N₂ + 6H₂O

2СО + О₂ = 2СО₂

С +О₂ =СО₂

СО₂ + С = 2СО

3СаСО₃ + 2Н₃РО₄ = Са₃(РО₄)₂ + 3CO₂ + 3H₂O

7. Зробіть висновок про можливість самовільного протікання цих процесів на основі розрахунку G реакції.