Тема 1.4 «Химические реакции. Термодинамика и кинетика»
| ЗНАТЬ | УМЕТЬ |
| 1.знать важнейшие понятия термодинамики: система, фаза, параметры системы, функции состояния, энергия, внутренняя энергия, термодинамическое равновесие; виды систем: открытые-закрытые- изолированные и гомогенные-гетерогенные. | 1.уметь правильно использовать понятия при ответах. |
| 2.знать первый закон термодинамики, его общефилософский и физический смысл, формулировку закона Лавуазье-Лапласа и формулировку Гесса, следствие из закона Гесса; понятия тепловой эффект реакции, экзотермические и эндотермические реакции, теплота образования сложного вещества, теплота сгорания, энтальпия, стандартные условия, соотношение изменения энтальпии, внутренней энергии и теплового эффекта реакции при изохорном процессе. | 2.уметь давать термодинамическую характеристику химической реакции (тепловой эффект, изменение энтальпии и внутренней энергии, давления или объема), вести расчеты по термохимическим уравнениям, рассчитывать тепловой эффект реакции по следствию из закона Гесса. |
| 3. знать второй закон термодинамики (постулаты Клаузевица и Кельвина) и его применение для химических процессов (определение возможности самопроизвольного процесса по изменению свободной энергии Гиббса), понятия энтропии, понятие абсолютного нуля, постулат Планка. | 3. уметь рассчитывать изменение энергии Гиббса в химических процессах и делать выводы относительно возможности протекания самопроизвольных процессов |
| 4. знать понятие скорости химической реакции и порядка реакции, ее зависимость природы вещества (энергия активации), от температуры (формула Вант-Гоффа), от концентрации (кинетическое уравнение) и давления, от площади поверхности (для гетерогенных процессов) и присутствия катализаторов. | 4. уметь делать расчеты по формуле Вант-Гоффа и кинетическому уравнению, делать выводы о влиянии условий на скорости реакции; пояснять принцип работы катализаторов (теория активного комплекса). |
| 5. знать понятие обратимых и необратимых химических реакций, характеристику химического равновесия (постоянство параметров, равная скорость прямой и обратной реакции), влияние условий химической реакции на сдвиг равновесия (правило Ле Шателье), понятие константы равновесия (закон действующих масс) и значение величины константы равновесия | 5. уметь записывать необратимые и обратимые реакции; пояснять смещение химического равновесия при изменении условий (по правилу Ле Шателье); записывать константу равновесия и пояснять зависимость ее величины от смещения равновесия в сторону прямой или обратной реакции |
1.4.1. Основные понятия и законы химической термодинамики и биоэнергетики.
План:
1. Основные понятия химической термодинамики: термодинамическая система (изолированная, закрытая, открытая, гомогенная, гетерогенная), параметры состояния (экстенсивные, интенсивные), термодинамический процесс (обратимый, необратимый). Живые организмы – открытые термодинамические системы. Необратимость процессов жизнедеятельности.
2. Первый закон термодинамики. Энтальпия. Термохимические уравнения. Стандартные теплоты образования и сгорания. Закон Гесса. Методы калориметрии. Энергетическая характеристика биохимических процессов. Значение термохимических расчетов для оценивания калорийности продуктов питания и составления рациональных и лечебных диет.
3. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Второй закон термодинамики. Энтропия. Термодинамические потенциалы: энергия Гиббса, энергия Гельгольца. Термодинамические условия равновесия. Критерии направленности самопроизвольных процессов.
4. Применение основных положений термодинамики к живым организмам. АТФ как источник энергии для биохимических реакций. Макроэргические вещества. Энергетические отношения в живых системах.
- Основные понятия термодинамики.
Термодина́мика (греч.θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения разных форм энергии. В отдельную дисциплину выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла при химических процессах. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы естественных наук и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений.
В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. Т.е. Система – это совокупность материальных объектов (тел, образованных различными веществами), отделенных поверхностью раздела от окружающей среды. Окружающая среда – остальная часть пространства со всем, что в ней находиться.
Фаза – часть системы, которая обладает определенным составом и свойствами, и отделенная от других ее частей поверхностью раздела.
Системы бывают:
- изолированные - не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией;
- закрытые - могут обмениваться только энергией;
- открытые - могут обмениваться и энергией, и веществом.
Живые организмы – это открытые термодинамические системы.
Система может быть:
- гомогенной - все компоненты находятся в одной фазе, поверхность раздела между ними отсутствует;
- гетерогенной – система состоит из нескольких фаз, есть поверхность раздела, которая видна невооруженным глазом.
Например: раствор соли в воде – гомогенная система, раствор соли в воде вместе с кристаллами соли на дне – гетерогенная.
В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам. Эти величины называют параметрами. Например: давление, температура, объём, концентрация. Или функциями состояний (внутренняя энергия -U, энтальпия - H, энтропия - S, изобарно-изотермический потенциал –G). Функциями состояний – это величины, которые зависят от параметров (f(t,p,v,c)).
Традиционно считается, что термодинамика основывается на четырёх законах (началах), которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты.
0-й закон — нулевое начало термодинамики: этот закон постулирует существование термодинамического равновесия и вводит понятие абсолютной температуры. Для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при определенных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает.
Состояние равновесия – это состояние в котором в течении неограниченного времени не изменяются параметры и функции системы, т.е. в системе не происходят никакие изменения.
Мир вокруг нас материален и эта материя находится в постоянном движении. Энергия – это количественная мера определенного вида движения материи. Энергия может существовать в разных видах: механическая, химическая, электрическая, тепловая и т.д., один вид энергии может переходить в другую. Например: мы знаем, что электрическую энергию можно получить за счет тепловой энергии и наоборот. Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии. Это говорит о том, что исходные вещества еще до реакции обладали определенной энергией. И это была внутренняя энергия. Внутренняя энергия (U) – э то энергия, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических или физических процессах, она складывается из энергии теплового движения частиц, всех видов внутримолекулярной и внутриатомной энергии.
- 1-й закон — первое начало термодинамики.
Он представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок первого закона термодинамики.
В наиболее простой форме его можно записать как Δ Q = Δ U + P Δ V, т.е.: Теплота, поглощенная системой или выделенная ею, расходуется на изменение внутренней энергии системы и совершение работы. Закон подтвержден работами Гесса (1836), затем Джоуля (1840), и Гельгольца (1847). В общем виде впервые сформулирован Ломоносовым (1744).