Химическая термодинамика, как теоретическая основа биоэнергетики

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

УДК 544(075.8)

ББК 24

ISBN 978-985-496-561-1 Ó Болтромеюк В.В., 2009. Ó УО «ГрГМУ», 2009.


Предисловие

Химия – одна из фундаментальных естественнонаучных дисциплин, занимающая важное место в подготовке современного врача. Она закладывает физико-химическую основу для изучения на молекулярном уровне механизма осуществления широкого круга процессов в биологических системах.

Сегодня изучать причину возникновения и особенности протекания того или иного заболевания, назначать эффективные методы и средства их лечения без должной физико-химической подготовки невозможно.

Теоретической основой для решения данных задач является общая или физическая химия.

Физическая химия представляет собой науку, объясняющую химические явления и устанавливающую их закономерности на основе общих принципов физики.

Объектами физической химии являются любые системы живой и неживой природы, в которых могут протекать химические превращения.

Физическая химия изучает происходящие в этих системах изменения, сопровождающиеся переходом химической энергии в её различные физические формы: тепловую, лучистую, электрическую, механическую и т.д. Физическая химия изучает химические процессы не сами по себе, а в неразрывной связи с сопровождающими их физическими явлениями – выделением (поглощением) теплоты, образованием электрического заряда, прохождением электрического тока и т.п.

Основной задачей современной физической химии является установление детального механизма, изучение и объяснение основных закономерностей, определяющих направление химических процессов, скорости их протекания, влияния на них характера среды, примесей, температуры, излучения и других внутренних и внешних факторов.

Главными разделами физической химии являются химическая термодинамика и химическая кинетика. Наряду с ними она включает в себя учение о строении атома, ионов, молекул, учение о механизме образования химической связи, коллоидную химию, электрохимию, учение об истинных растворах низкомолекулярных соединений и полимеров.

Физическая химия служит теоретической основой неорганической, органической, фармацевтической и аналитической химии, а также химической и физико-химической технологий.

Изучение основ физической химии оказывает существенное влияние на формирование естественно-научного стиля мышления студентов медицинских вузов, даёт им необходимые знания для рассмотрения физико-химической сущности и механизмов процессов, происходящих в организме человека на молекулярном и клеточном уровнях.


Химическая термодинамика, как теоретическая основа биоэнергетики




Предмет, методы и основные понятия химической термодинамики

Термодинамика как научная дисциплина сложилась в начале ХIХ века и является одной из составных частей физической химии. Термодинамика изучает общие законы взаимного превращения энергии из одной формы в другую в результате протекания физических, химических или физико-химических процессов.

Термодинамика включает в себя следующие разделы:
1) общую или физическую термодинамику, изучающую наиболее общие законы превращения энергии; 2) техническую термодинамику, рассматривающую взаимопревращения теплоты и механической работы в различного рода машинах и двигателях;
3) химическую термодинамику, предметом изучения которой являются превращения различных видов энергии при протекании химических реакций, процессов растворения, испарения, кристаллизации, адсорбции.

Химическая термодинамика количественно определяет тепловые эффекты вышеперечисленных процессов, выясняет возможность самопроизвольного их протекания в том или ином направлении и условия, при которых химические реакции будут находиться в состоянии равновесия.

Причем изучение происходящих превращений не требует, с позиций термодинамики, сведений об их механизмах, представлений о строении молекул, участвующих в реакциях веществ. Достаточно только знать начальное состояние системы и те внешние условия, в которых она находится.

Следует подчеркнуть также, что термодинамика не может ответить на вопросы о том, с какой скоростью и по какому механизму будет протекать тот или иной процесс, какое количество времени потребуется для достижения в нем химического равновесия.

В настоящее время термодинамический метод исследования является одним из наиболее надежных и эффективных средств для изучения обмена веществ и энергии, происходящего в клетках животных, растений и человека.

Живые организмы усваивают поступающие к ним из окружающей среды вещества, перерабатывают их, синтезируют и накапливают новые высокомолекулярные соединения для создания и обновления клеток и тканей, аккумулирования больших запасов химической энергии. Совокупность всех процессов называют ассимиляцией или анаболизмом (рис. 1).

Рис. 1. Энергетические потоки в живых системах

Одновременно в организме протекают противоположные процессы – диссимиляция или катаболизм, сводящиеся к разложению сложных органических соединений, окислению их до Н2О, СО2 и высвобождению при этом энергии.

В раннем периоде развития в организме человека, как и во всем живом, процессы ассимиляции превалируют над диссимиляцией, но по мере приближения к старости начинают доминировать процессы диссимиляции, что приводит к уменьшению в организме запасов химической энергии.

Изучением и решением всех этих вопросов занимается биоэнергетика, которую можно рассматривать одновременно и как часть биохимии и как часть биофизики.

Теоретической же основой биоэнергетики и инструментом, с помощью которого она решает свои задачи, является химическая термодинамика.

Термодинамические системы: изолированные, закрытые, открытые, гомогенные, гетерогенные

При изложении основных положений термодинамики пользуются набором определенных строго сформулированных понятий, начальное из которых – понятие термодинамической системы, являющейся объектом исследования в термодинамике.

Под термодинамической системой подразумевают избранную совокупность тел или веществ, состоящую из большого числа структурных единиц (молекул, атомов, ионов) и отделенную от окружающей внешней среды определенной границей или поверхностью раздела. Внешнюю среду или внешний мир представляет собой то, что находится вне оболочки системы.

Выделение термодинамической системы из окружающей среды или внешнего мира весьма относительно. Менее сложные системы, являясь самостоятельной структурной единицей, могут одновременно быть составными частями более сложных систем, в этом случае они часто называются подсистемами. Это можно проиллюстрировать на примере биологических систем, расположенных в порядке усложнения в следующем иерархическом ряду: органелла – клетка – ткань – орган – система органов – организм – популяция – биоценоз – биосфера.

Границаилиповерхность раздела термодинамической системы может представлять собой какую-нибудь реальную оболочку. Например, стенки сосуда, в котором осуществляется химическая реакция, мембрана животной и растительной клетки. Но чаще всего эта граница бывает воображаемой или условной и наделенной заранее заданными свойствами. Так, она может быть проницаемой или нетеплопроводной, механически жесткой или нежесткой, т.е. способной изменять свои размеры.

В зависимости от свойств поверхности раздела, термодинамические системы делятся, в первую очередь, на изолированные, закрытые и открытые (рис. 2).

Изолированные системы не могут обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытые системы обмениваются с внешним миром только энергией, а открытые – и веществом, и энергией.

Рис. 2. Примеры закрытой (а), открытой (б) и изолированной (в) систем

Следует подчеркнуть, что реальные системы никогда не бывают абсолютно изолированными, они лишь в той или иной степени приближаются к данному понятию, но полностью с ним не совпадают.

Некоторые системы можно поместить (реально или мысленно) в условия, которые делают их искусственно изолированными. Примером такой изолированной системы можно считать химическую реакцию, идущую в термостате. Изменение энергии в ходе протекания реакции компенсируется включением или выключением нагревателя, в результате чего общая энергия системы будет оставаться постоянной.

Закрытые и открытые системы могут существовать реально, причем наиболее распространенными системами в природе являются открытые системы. К их числу относятся все биологические системы: животные и растительные клетки, организмы, человек и т.д. Примером закрытой системы является любой герметический сосуд, в котором протекает та или иная химическая реакция.

Термодинамика открытых систем описывается с помощью сложного математического аппарата, который до настоящего времени полностью не разработан. Закрытые и особенно изолированные системы имеют более простое математическое описание, и полученные на их основе результаты часто успешно используются для прогнозирования протекания аналогичных физико-химических процессов в открытых системах.

В зависимости от своего состава термодинамические системы подразделяются на простые или однокомпонентные и сложные или многокомпонентные(рис. 3).

Рис. 3. Различные виды термодинамических систем:
а – однофазная гомогенная система, состоящая из воды;
б – двухфазная однокомпонентная система «вода – пар»;
в – трехфазная однокомпонентная система «лед – вода – пар»;
г – трехфазная многокомпонентная система «СаСО3 – СаО – СО2»;
д – четырехфазная многокомпонентная система «ртуть – вода – бензол – пар»; е – неустановившаяся система с неопределенным числом фаз

Простые системы состоят только из одного вещества, сложные системы включают в себя несколько различных химических веществ.

Если между отдельными частями системы не существует физических, т.е. реальных границ раздела, то такие системы называются гомогенными(однородными). Свойства данных систем, находящихся в состоянии равновесия, одинаковы во всех их точках.

Существуют также системы, между отдельными частями которых имеются границы раздела. При переходе через них многие свойства меняются скачкообразно. Такие системы называются гетерогенными.

Совокупность всех однородных по составу и физико-химическим свойствам частей гетерогенной системы, отделенной четкой и определенной поверхностью раздела, называется фазой. Гомогенные системы всегда состоят из одной фазы, а гетерогенные являются многофазными: двухфазными, трехфазными и т.д. Очень часто вещества, находящиеся в различных фазах, отличаются друг от друга агрегатными состояниями (рис. 3). Но могут быть и гетерогенные системы, в которых разные фазы находятся в одном и том же агрегатном состоянии. Например, три несмешивающиеся между собой жидкости: бензол, вода и ртуть (рис. 3).

И гомогенные, и гетерогенные системы могут быть однокомпонентными и многокомпонентными. Однокомпонентной гомогенной системой является любое жидкое или газообразное вещество, помещенное в тот или иной сосуд (герметический или открытый).

Трехфазной гетерогенной системой, состоящей из одного химического вещества, является, например, сосуд, частично заполненный водой, в которой плавают кусочки льда, а над поверхностью жидкости находятся водяные пары.

Многокомпонентной гомогенной системой является смесь из нескольких газов (например, воздух), истинный раствор вещества (или смеси веществ) в воде либо в каком-нибудь другом растворителе.


7943844793673467.html
7943860990179297.html
    PR.RU™