ЗАНЯТИЕ № 1
Тема: Термодинамика. I закон.
Мотивация изучения темы: Энергетические явления, сопровождающие химические реакции, имеют большое практическое значение. Энергетические потребности организмов обеспечиваются протеканием экзотермических реакций. Растения запасают энергию солнечного излучения, синтезируя глюкозу в своих листьях. Эта энергия используется самими растениями и питающимися ими животными. В митохондриях клетки глюкоза окисляется, большая часть ее энергии переходит в образующиеся ионы АТФ. Эти ионы участвуют в реакциях фосфорилирования молекул органических веществ. Благодаря этому осуществляются реакции синтеза белков, жиров, а также производятся различные виды работы - сокращение мышц, транспорт веществ через клеточные мембраны и др.
Человек за сутки затрачивает в среднем при массе 70 кг 11,3МДж (2700ккал) энергии. Физические затраты зависят от возраста, поля, состояния здоровья, климатических условий, характера труда. С учетом всего этого рассчитываются и планируются нормы потребления пищевых продуктов, необходимые их запасы и т. д.
Ознакомление с методами расчета теплоты (ΔН) и максимальной работы (ΔG) химических реакций необходимо для последующего изучения биохимии, физиологии, гигиены, терапии.
Цель: Приобрести навыки термодинамических расчетов, с помощью которых можно судить о химическом процессе с энергетической точки зрения.
Задачи изучения:
1. Приобрести навыки расчета тепловых эффектов реакций по теплотам образования и теплотам сгорания.
2. Приобрести навыки расчета калорийности пищи и суточной потребности.
Продолжительность занятия - 165 минут (135 учебного времени и 30мин перерыв).
Место проведения занятия - учебный практикум (кафедра общей химии)
Задания для самостоятельной работы студента во внеучебное время (самоподготовка).
А. Контрольные вопросы
1. Основные термодинамические понятия и определения: термодинамика, система (классификация систем по характеру взаимодействия с окружающей средой: изолированная, закрытая, открытая; по агрегатному состоянию веществ: гомогенная, гетерогенная), фаза компонент, внутренняя энергия, теплота, работа, термодинамические параметры системы (масса, объем, температура, давление, концентрация).
2. Первый закон термодинамики (формулировка, математическое выражение). Изохорный и изобарный тепловые эффекты. Энтальпия.
3. Термохимия. Закон Гесса, его следствия. Теплота образования, теплота сгорания. Стандартные теплоты образования и сгорания.
4. II закон (второе начало) термодинамики (формулировки). Математическое выражение II закона термодинамики. Энтропия (определение, единицы измерения). Энтропия - критерий возможности протекания реакций в изолированных системах.
5. Свободная энергия Гиббса (определение, единицы измерения, формулы расчета). Свободная энергия Гиббса - критерий направленности химических процессов в закрытых системах.
.
Б. Список рекомендуемой литературы:
1. , Пузаков химия. / М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007.
2. Общая химия Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учебник для ВУЗов/ , , и др. - 2 изд. - М.: ВШ, 2002.
3. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов./под ред. , - М.: ВШ, 2006 (стр.55-59).
4. , , Филиппов задач и упражнений по общей химии. - М.: ВШ, 2007
В. Обучающий материал.
Первый закон термодинамики выражается уравнением:
Q = ΔU + A, (1)
Q - теплота, поглощенная системой из окружающей среды (кДж/моль);
ΔU - изменение внутренней энергии системы (U2-U1), (кДж/моль),
A - работа, совершенная системой (A=pΔV), (кДж/моль).
H = U + pV (2)
H - энтальпия системы,
P - давление
V - объем,
U - внутренняя энергия системы.
Математическое выражение следствий из закона Гесса:
1. Δ H = S(nΔH°обр)прод. - S(mΔН°обр)исх.
n и m - стехиометрические коэффициенты,
S(nΔH°обр)прод. - сумма стандартных энтальпий образования продуктов реакций,
S(mΔН°обр)исх. - сумма стандартных энтальпий исходных веществ
2. Δ H = S(nΔH°сгор)исх. - S(mΔН°сгор)прод.
S(nΔH°сгор)исх. и S(mΔН°сгор)прод. - сумма стандартных энтальпий сгорания исходных веществ и продуктов реакции.
Математическое выражение II закона термодинамики:
ΔS ³ ΔQ/T, где
ΔS - изменение энтропии (в Дж/моль∙К),
ΔQ - изменение теплоты (в Дж/моль),
T - абсолютная температура (в К).
Стандартная энтропия реакции рассчитывается по уравнению:
Δ Sр-ции = SnΔS°прод. - SmΔS°исх.
n и m - стехиометрические коэффициенты при веществах в уравнении реакции.
Объединенное математическое выражение I и II начал термодинамики:
ΔG = ΔН - ТΔS
ΔG - изменение свободной энергии Гиббса (в кДж/моль),
ΔН - изменение энтальпии (в кДж/моль),
Т - температура (в К),
ΔS - изменение энтропии (в Дж/моль∙К)
Свободная энергия Гиббса для химической реакции рассчитывается по уравнению:
Δ G°р-ции= SnΔG°прод.. - SmΔG°исх.
Самопроизвольное течение процесса описывается следующими значениями:
ΔS > 0, ΔG < 0
Г. Обучающие задачи
Расчет теплового эффекта реакции по стандартным энтальпиям образования веществ.
Задача 1. Вычислите стандартную энтальпию хемосинтеза, протекающего в автотрофных бактериях Thiobacillus thioparus:
5Na2S2O3∙5H2O(т) + 7O2(г) = 5Na2SO4(т) + 3H2SO4(ж) + 2S(т) + 22H2O(ж)
ΔH°обр (Na2S2O3∙5H2O) = - 2602 кДж/моль; ΔH°обр (Na2SO4) = - 1384 кДж/моль;
ΔH°обр (H2SO4) = - 907кДж/моль; ΔH°обр (H2O) = -286 кДж/моль.
Экзо - или эндотермической является эта реакция?
Решение. Согласно следствия из закона Гесса:
ΔHр-ции= 5 ΔH°обр(Na2SO4) + 3 ΔH°обр (H2SO4) + 22 ΔH°обр (H2O) - 5 ΔH°обр (Na2S2O3∙5H2O)
ΔH°обр простых веществ O2 и S равны нулю, следовательно:
ΔH°р-ции= 5 (-1384) + 3(-907) + 22 (-286) - 5 (-2602) = -2923 кДж/моль.
Ответ: ΔH°р-ции= - 2923 кДж/моль
ΔH°р-ции <0, данная реакция экзотермическая.
Расчет теплового эффекта реакции по стандартным энтальпиям сгорания веществ.
Задача 2. Вычислите тепловой эффект химической реакции:
2С2Н5ОН(ж) = С2Н5ОС2Н5(ж) + Н2О(ж),
используя следующие значения:
ΔH°сгор(С2Н5ОН) = -1368 кДж/моль, ΔH°сгор(С2Н5ОС2Н5) = -2727 кДж/моль.
Решение. Согласно следствия из закона Гесса:
ΔHр-ции = 2 ΔH°сгор(С2Н5ОН) - ΔH°сгор (С2Н5ОС2Н5)
ΔH°сгор(Н2О) = 0
ΔH°р-ции = 2 (-1368) - (-2727) = -9 кДж/моль
Ответ: ΔH°р-ции = - 9 кДж/моль
Расчет калорийности продуктов с учетом теплот сгорания веществ в условиях организма.
Задача 3. В 100г сметаны содержится 15г жиров, 2,9г белка, 3г углеводов. Вычислите калорийность 250г сметаны (теплоты сгорания жиров, белков, углеводов в организме соответственно равны: 38 кДж/г, 17 кДж/г, 18 кДж/г).
Решение. Калорийность продукта (в кДж) будет равна сумме теплот сгорания в условиях организма белков, жиров, углеводов:
ΔHр-ции = ΔH°сгор (ж)∙m(ж) + ΔH°сгор (б) ∙m(б)+ ΔH°сгор (у)∙m(у)
Калорийность 100г сметаны:
ΔH = 38∙15 + 17∙2,9 + 18∙3 = 673,3 кДж
Калорийность 250г сметаны:
100г -673,3 кДж 
250г - х кДж
Ответ: калорийность 250г сметаны 1683,25 кДж
Задача 4. Может ли следующая реакция протекать самопроизвольно при постоянной температуре: С2Н2(г) + 2Н2(г) = С2Н6(г), если
S°(С2Н2) = 201 Дж/моль∙K; S°(Н2) = 131 Дж/моль∙K; S°( С2Н6) = -286 Дж/моль∙K.
Решение. Вычислим ΔS°р-ции по формуле:
ΔS°р-ции= S°( С2Н6) - (S°(С2Н2) + 2 S°(Н2))
ΔS°р-ции = 229 - (201+2∙131) = - 234 Дж/моль∙K.
Ответ: ΔS°р-ции <0, данная реакция самопроизвольно протекать не может.
Задача 5. Определите возможность самопроизвольного протекания реакции фотосинтеза:
6СО2(г) + 6Н2О(ж) = С6Н12О6(р-р) + 6О2(г), если ΔG°( СО2) = -394,4 кДж/моль,
ΔG°( Н2О) = -237 кДж/моль, ΔG°( С6Н12О6) = -917 кДж/моль.
Решение. ΔG°р-ции = ΔG°( С6Н12О6) - (6 ΔG°( СО2) + 6 ΔG°( Н2О));
ΔG°( О2) = 0
ΔG°р-ции = -917 - 6(-394,4 -237) = 2871 кДж/моль
Ответ: ΔG°р-ции >0, данная реакция самопроизвольно протекать не может.
Задача 6. Вычислите стандартное значение энергии Гиббса гидратации сывороточного альбумина при 25°С, для которой ΔН°= - 6,08кДж/моль, ΔS°= - 5,85кДж/моль.
Решение. ΔG = ΔН - Т∙ΔS
ΔG = -6,08кДж/моль - 298К∙(-5,85кДж/моль∙К) = 1737,22кДж/моль
Ответ: ΔG =1737,22кДж/моль
Д. Задачи для самостоятельного решения.
Задача 1. Вычислите тепловой эффект химической реакции 2CH3Cl(г) + 3O2(г) = 2CO2(г) + 2H2O(ж) + 2HCl(г), если ΔH°обр (CH3Cl) = -82 кДж/моль, ΔH°обр (CO2) = -393,5 кДж/моль, ΔH°обр (H2O) = -286 кДж/моль, ΔH°обр (HCl) = -92,3 кДж/моль. (Ответ: ΔHр-ции = -1195 кДж/моль)
Задача 2. Среднесуточная потребность в белках, жирах, углеводах для студентов - женщин - 96г, 90г и 383г соответственно. Какова суточная потребность в энергии у женщин-студентов? Калорийность см. обучающая задача № 3. (Ответ 11946 кДж)
Задача 3. Возможно ли самопроизвольное протекание реакции: Н2О2(ж) + О3(г) = 2О2(г) + Н2О(ж), если S°( Н2О2)=110Дж/моль∙К, S°( О3)= 238Дж/моль∙К, S°( О2)=205Дж/моль∙К,
S° (Н2О)= 70Дж/моль∙К? Почему? (Ответ: Да. Δ S°р-ции = 132 Дж/моль∙К)
Задача 4. Может ли протекать самопроизвольно реакция каталитического окисления этанола в присутствии каталазы: Н2О2(г) + С2Н5ОН(ж) = СН3СОН(г) + 2Н2О(ж) ? Почему? (ΔG°(Н2О) = -237 кДж/моль, ΔG°( Н2О2) = -121 кДж/моль, ΔG°( СН3СОН) = -129кДж/моль, ΔG°( С2Н5ОН) = -175 кДж/моль)
(Ответ: Да. ΔG°р-ции= -307кДж/моль).
