Занятие 5, 6. Энергетика химических процессов.
Актуальность темы Все термодинамические процессы, связанные с переходом одного вида энергии в другой, подчинены I закону термодинамики – закону сохранения энергии. Однако важно знать не только энергетику, но и направление и глубину протекания того или иного процесса. Направленность и пределы протекания самопроизвольных процессов изучает II закон термодинамики.
Мотивация Живые системы подчиняются всем основным законам природы. К ним полностью применим закон сохранения и превращения энергии, а также II начало термодинамики. Трансформацию энергии в организме изучает биоэнергетика. Живые системы являются открытыми, гетерогенными системами. В процессе жизнедеятельности организм поглощает в виде пищи разнообразные вещества, ассимилирует и преобразует их, а затем в процессе диссимиляции разрушает и удаляет их в виде отработанных продуктов во внешнюю среду. Термодинамические особенности открытых систем объясняют устойчивость живого организма и его способность в течение многих лет сохранять на определенном уровне энтропию, энергию Гиббса и относительное постоянство внутренней среды, называемое в биологии гомеостазом.
Знание общих законов термодинамики позволяет врачу осуществить научный подход к пониманию энергетики биохимических реакций в организме, процессов эмбриогенеза, регенерации тканей, старения и возможности регулировать эти процессы проведением профилактических и лечебных мероприятий.
Цель занятия: приобрести навыки термодинамических расчетов. На конкретных примерах решать вопрос о возможности самопроизвольного протекания реакции в заданных условиях (из анализа величин «G, «Н, «S и их зависимость от температуры), а также определения условий, при которых наступает термодинамическое равновесие в системе. Студент должен знать:
формулировки и математическое выражение II закона термодинамики;
зависимость энтропии от различных факторов;
убыль энергии Гиббса как реакционной способности химической системы;
связь между изменением энергии Гиббса и константой равновесия.
Студент должен уметь:
формулировать и применять I и II законы термодинамики к различным физико-химическим процессам в термодинамических системах;
правильно характеризовать и объяснять взаимосвязь следующих понятий: открытая, закрытая, изолированная системы; внутренняя энергия U, работа А, теплота Q, энтальпия Н, энтропия S, энергия Гиббса G;
рассчитывать энергетические характеристики химических и физических процессов;
определять направление самопроизвольного протекания процессов в организме.
Необходимый исходный уровень знаний и умений. Для усвоения материала данной темы необходимо знать:
атомно-молекулярное учение;
виды энергии и взаимосвязь между ними;
химические процессы, протекающие в организме;
тепловые эффекты химических реакций;
закон Гесса и следствия из него.
Решение задач по теме занятий Теплота реакции взаимодействия гидроксида алюминия Al(OH)3 с соляной кислотой составляет 234,2 кДж/моль. Сколько выделится теплоты, если для реакции взято 7,02 г Al(OH)3? При сгорании 1 кг бензола выделяется 41990 кДж. Определите теплоту сгорания бензола.
Теплоты образования оксида и диоксида азота равны соответственно 21,6 и 643 ккал/моль. Вычислите тепловой эффект реакции 2NO+O2= 2NO2 (в кДж/моль).
Теплоты сгорания ацетилена и этана равны соответственно 1300 и 1540 кДж/моль. Чему равна теплота гидрирования ацетилена до этана?
Вычислите теплоту образования кристаллогидрата СаСl2 · 6Н2О из безводной соли и воды по следующим данным: теплота растворения кристаллогидрата –18,02 кДж/моль; теплота растворения безводной соли 72,9 кДж/моль.
Теплота растворения Na2SO3 равна 11,3 кДж/моль; теплота гидратации этой соли до Na2SO3·7Н2О составляет 58,1 кДж/моль. Вычислите теплоту растворения кристаллогидрата.
Теплота сгорания глюкозы равна 2816 кДж/моль; теплота сгорания этилового спирта равна 1236 кДж/моль. На основании этих данных вычислите тепловой эффект биохимического процесса брожения глюкозы:
С6Н12О6= 2С2Н5ОН(ж)+ 2СО2(г)+ Q
Теплота сгорания углеводов и белков в организме человека составляет 4,1 ккал/г, жиров – 9,3 ккал/г. Среднесуточная потребность в белках, жирах и углеводах для студентов мужчин составляет соответственно 113, 106 и 451 г, для студентов женщин 96, 90 и 383 г. Какова суточная потребность студентов в энергии?
На испарение 1 моля воды требуется 40,7 кДж. Сколько теплоты будет потеряно за день при выделении через кожу 800 г воды? Сколько граммов углеводов должно быть окислено для получения этого количества теплоты?
В 100 г трески в среднем содержится 11,6 г белков и 0,3 г жиров. Рассчитайте калорийность порции трески массой 220 г.
При взаимодействии газообразного метана и сероводорода образуется сероуглерод CS2(г) и водород. Определите изменение энтальпии реакции; напишите термохимическое уравнение.
При взаимодействии трех моль оксида азота (I) с аммиаком образуются пары воды и азота. Тепловой эффект реакции равен (ΔН=-877,76 кДж). Напишите термохимическое уравнение реакции и вычислите изменение энтальпии образования N2O(г).
Тепловые эффекты растворения MgSO4 и МgSO4 . 7Н2О в воде соответственно равны: -84,8 кДж/моль и 15,9 кДж/моль. Какова теплота гидратации при переходе MgSO4 в МgSO4 . 7Н2О?
Рассчитайте энтальпию образования Н2О2(ж), исходя из теплового эффекта реакции:
Н2О2(ж)= Н2О(ж)+ 1/2О2(г) ΔН= -98,03 кДж/моль
При получении одного моль эквивалента гидроксида кальция из СаО(к) и Н2О(ж) выделяется 32,63 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение и вычислите энтальпию образования оксида кальция.
Энтальпия реакции нейтрализации азотной кислоты гидроксидом калия равна –57,3 кДж/моль. Вычислите энтальпию процесса, протекающего при добавлении к 100 мл раствора азотной кислоты с С=1 моль/л 150 мл раствора гидроксида калия с С=0,9 моль/л?
Энергетическую ценность пищевого продукта оценивают его теплотой сгорания (калорийностью) и выражают в кДж/г (ккал/г). Вычислите калорийность (в кДж/г):
а) жира тристеарина (С57Н110О6), если энтальпия сгорания жира равна (-37760 кДж/моль);
б) сахарозы (С12Н22О11), если энтальпия сгорания сахарозы равна (-5653 кДж/моль).
Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:
С2Н5ОН(ж)+ 3О2(г)= 2СО2(г)+ 3Н2О(ж). ΔН=?
Вычислите энтальпию реакции, если известно, что энтальпия парообразования С2Н5ОН(ж)=+38,58 кДж/моль и известны энтальпии образования С2Н5ОН(г), СО2(г), Н2О(ж).
В некоторых микроорганизмах при анаэробной (в отсутствии воздуха) ферментации протекает следующая реакция:
С6Н12О6 2 С3Н6О3
глюкоза молочная кислота
Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известны тепловые эффекты следующих процессов:
С6Н12О6(г) + 6О2(г) 6СО2(г) + 6Н2О(ж) ΔН= -2808 кДж/моль
С3Н6О3(ж) + 3О2(г) 3СО2(г) + 3Н2О(ж) ΔН= -1369 кДж/моль
Вычислите энтальпию образования метана, исходя из следующих термохимических уравнений:
а) Н2(г) + 1/2О2(г)=Н2О(ж) ΔН1= -285684 кДж
б) С(к) + О2(г)=СО2(г) ΔН2= -393,51 кДж
в) СН4(г) + 2О2(г)=2Н2О(ж) + СО2(г) ΔН3= -890,31 кДж
Вычислить энтальпию растворения лития в воде, используя данные по гидратированным ионам:
2Li(к) + 2Н2О(ж)= 2Li+ + 2ОН- + Н2(г)
Какие из следующих оксидов могут быть восстановлены алюмотермически при 298 К:
а) CaO б) Fe2O3 в) РвО?
Какие из следующих оксидов могут быть восстановлены водородом до свободного металла при 298 К:
а) ZnO б) FeO в) Al2O3?
Определите устойчивость металлического кальция в атмосфере углекислого газа при 298К.
Пероксид водорода, образующийся в организме, разлагается под действием каталазы крови на воду и кислород. Возможен ли этот процесс в отсутствии каталазы? (p=1 атм., t=25˚ С)?
Какой из 2х путей превращения глюкозы в организме сопровождается
большим изменением энергии Гиббса:
а) С6Н12О6(р-р) = 2СО2(г)+ 2С2Н5ОН(ж)
б) С6Н12О6(р-р) = 2С3Н6О3(р-р)
Могут ли существовать друг с другом сернистый газ и сероводород при t=25˚С?
Покажите с помощью термодинамического расчета, что процесс перехода
НС-СООН НООС-СН
║ → ║
НС-СООН НС-СООН
а) малеиновая кислота б) фумаровая кислота может осуществляться самопроизвольно в организме человека (t=37оС), если известно:
∆Но298(кДж/моль): а) -791 б) –312
∆Sо(кДж/моль•к): а) =160 б) 166 Термодинамические константы некоторых веществ
Вещество
| ΔН0298 кДж/моль
| ΔG0 298 кДж/моль
| S0 298 кДж/моль? К
| AgCI(к)
AL2O3(к)
BaCО3(к)
ВеСО3(к)
С(алмаз, к)
С(графит, к)
СН4(г)
С2Н2(г)
С2Н4(г)
СН3ОН(г)
С2Н5ОН(г) CS2(г)
CS2(ж)
СО(г)
СО2(г)
СаСО3(к)
СаО(к)
Са(ОН)2(к)
НСI(г)
НСI(ж)
FeO(к)
Fe2O3(к)
Fe3O4(к)
Н2(г)
N2(г)
NН2(г)
NН4CI(к)
NO(г)
NO2(г)
O2(г)
ОН –(р)
Н+(р)
Н2О(г)
Н2О(ж)
PCI3(г)
PCI5(г)
PОCI3(ж)
S(к, ромб.)
Н2S(г)
С6Н6(ж)
С2Н6(г)
Сахароза С12Н22О11(т)
Li+ (р)
| -127,1
-1676
-1219
-982
1,828
0
-74,86
226,75
52,28
-201,17
-235,31 115,27
88,7
-110,52
-393,51
-1206,9
-635,5
-986,6
-91,8
-166,9
-264,8
-822,2
-1117,1
0
0
-46,19
-314,2
90,25
33
0
-230,19
0
-241,82
-285,83
-287,02
-366,0
-597,1
0
-21
-210,9
-846,67
-2220,9
-278,5
| -109,8
-1582
1139
-944,7
2,833
0
-50,79
64
-137,14
-394,38
-1128,8
-604,2
-896,8
-94,79
-131,2
-244,3
-740,3
-1014,2
0
0
-16,71
-203,2
86,58
51,5
0
-157,42
0
-228,61
-237,24
-260,5
-305,4
-521,3
0
-33,8
| 96,11
50,92
112
67,29
2,36
5,74
186,19
200,82
219,45
239,780
278,03 237,82
151,0
197,54
213,68
92,9
39,7
76,1
186,8
56,5
60,75
87,4
146,2
130,52
199,9
192,6
95,8
210,6
240,2
205,04
-10,86
0
188,72
70,08
311,7
364,5
222,5
31,9
205,7
359,8
|
|