Правило фаз Гиббса

Окисление углеводов через ПВК - главный путь распада углеродов, который лежит в основе дыхания и многих типов брожения. Однако кроме основного пути имеется и другой - окисление углеводов без предварительного расщепления до триоз. Это окисление происходит через так называемый пентозофосфатный цикл. Исходный продукт, который подвергается окислению глюкозо-6-фосфат. Весь цикл описан в учебнике (стр.211-214).

Суммарное уравнение полного окисления глюкозо-6-фосфата имеет следующий вид:

Глюкозо-6-фосфат +12 НАДФ⁺ + 7Н₂О® 6 СО₂ + 12 НАДФ-Н +12 Н⁺ +Н₃РО₄

Как видно из формулы при полном окислении одной молекулы глюкозо-6-фосфата образуется 12 молекул восстановленного НАДФ-Н. Окисление одной молекулы НАДФ-Н приводит к синтезу 3-х молекул АТФ. Всего при полном окислении глюкозо-6-фосфата образуется 12х3=36 молекул АТФ. При таком окислении выделяется и используется растением примерно столько же энергии, как в цикле трикарбоновых кислот. Основное назначение этого цикла состоит в том, чтобы образовывать в клетках НАДФ-Н, который не образуется в цикле Кребса. Образование НАДФ-Н особенно важно для тех клеток, в которых интенсивно идет биосинтез жиров, т.к. для синтеза жирных кислот в качестве восстанавливающего агента необходим не НАД-Н, а НАДФ-Н. Вторая функция этого цикла заключается в том, что в ходе цикла образуется рибоза, которая необходима для синтеза нуклеиновых кислот.

Вопросы:

1. Взаимные превращения углеводов в растениях.

2. Анаэробное дыхание (гликолиз)

3. Пути образования АТФ. Субстратное фосфорилирование.

4. Аэробная фаза распада углеводов.

5. Пентозофосфатный цикл.

Правило фаз Гиббса

Правило фаз Гиббса связывает количество фаз в системе, находящейся в равновесном состоянии или в равновесном процессе, с числом компонентов и термодинамических степеней свободы этой системы.

Рассмотрим систему, состоящую из Ф фаз и К компонентов. При равновесии температура и давление всех фаз одинаковы. Химический потенциал m каждого компонента имеет одинаковое значение во всех фазах. Состав каждой фазы определяется концентрациями (К-1) компонентов (т.к. концентрацию последнего компонента можно найти, учитывая, что сумма мольных долей всех компонентов равна единице). Состав Ф фаз определится Ф(К-1) концентрациями. С учетом температуры и давления общеечислопараметров, определяющих состояние системы, составит Ф(К-1)+2.

Применим известное алгебраическое правило: в системе уравнений число независимых переменных (т.е. число степеней свободы С) равно разности общего числа переменных и числа связывающих их уравнений). Общее число переменных мы нашли: Ф(К-1)+2. Число уравнений, связывающих эти переменные, определим из условий равновесия в гетерогенных системах, а именно: из равенства химических потенциалов любого компонента в каждой из сосуществующих фаз. Так как химические потенциалы компонентов при постоянных Р и Т являются функциями их концентраций, то эти равенства и определят число уравнений, связывающих концентрации компонентов равновесной системы.

Запишем эти равенства для «К» компонентов, обозначая верхним индексом номер фазы, а нижним - компонента:

m₁¹=m₁²; m₁²=m₁³;... m₁^Ф-1=m₁^Ф

m₂¹=m₂²; m₂²=m₂³;... m₂^Ф-1=m₂^Ф

........................

m_к¹=m_к²; m_к²=m_к³;... m_к^Ф-1=m_к^Ф

Очевидно, что для каждого компонента имеется (Ф-1) уравнений, а для всех К компонентов К(Ф-1) уравнений.

Тогда число степеней свободы

С = Ф(К-1) + 2 - К(Ф-1)

или

С = К - Ф + 2 (4.2)

Это уравнение выражает основной закон фазового равновесия, или правило фаз Гиббса (1867 г.): число термодинамических степеней свободы равновесной гетерогенной системы, на которую влияют только Т и Р, равно числу компонентов минус число фаз плюс 2.

Если на равновесие в системе кроме Т и Р влияют другие факторы (магнитные, электрические или гравитационные поля, например), то в уравнении (4.2) число внешних факторов будет не 2, а 3 или, в общем случае, n:

С = К - Ф + n (4.3)

Если гетерогенная система состоит только из конденсированных фаз, то давление, как правило, не влияет на состояние гетерогенного равновесия в системе в широких пределах (до тысяч атм), и число внешних параметров n=1 (температура).

Тогда правило фаз имеет вид:

С = К - Ф + 1 (4.4)

По числу фаз, компонентов и вариантности гетерогенные системы классифицируют следующим образом: однофазные, двухфазные, трехфазные, многофазные; одно-, двух-, трех- и многокомпонентные; ин- (или нон-) вариантные (С=0), моно-, би- и поливариантные.