Связь биологии с химией

Растворение осадков

Правило произведения растворимости важно для переведения труднорастворимых осадков в раствор. Предположим, что надо растворить осадок BaСO₃. Раствор, соприкасающийся с этим осадком, насыщен относительно BaСO₃.
Это означает, что [Ba²⁺

]

• [CO₃^2-] = ПРBaCO₃.

Если добавить в раствор кислоту, то ионы H⁺ свяжут имеющиеся в растворе ионы CO₃^2- в молекулы непрочной угольной кислоты:
2H⁺ + CO₃^2- ® H₂CO₃ ® H₂O + CO₂­
Вследствие этого резко снизится концентрация иона CO₃^2- , ионное произведение станет меньше величины ПРBaCO₃. Раствор окажется ненасыщенным относительно BaСO₃ и часть осадка BaСO₃ перейдет в раствор. При добавлении достаточного количества кислоты можно весь осадок перевести в раствор. Следовательно, растворение осадка начинается тогда, когда по какой-либо причине ионное произведение малорастворимого электролита становится меньше величины ПР. Для того, чтобы растворить осадок, в раствор вводят такой электролит, ионы которого могут образовывать малодиссоциированное соединение с одним из ионов труднорастворимого электролита. Этим объясняется растворение труднорастворимых гидроксидов в кислотах

Fe(OH)₃ + 3HCl ® FeCl₃ + 3H₂O
Ионы OH^- связываются в малодиссоциированные молекулы H₂O.

Таблица. Произведение растворимости (ПР) и растворимость при 25°С некоторых малорастворимых веществ

Формула	Растворимость	ПР моль / л
AgBr	7,94 • 10-7	6,3 • 10-13
AgCl	1,25 • 10-5	1,56 • 10-10
AgI	1,23 • 10-8	1,5 • 10-16
Ag2CrO4	1,0 • 10-4	4,05 • 10-12
BaSO4	7,94 • 10-7	6,3 • 10-13
CaCO3	6,9 • 10-5	4,8 • 10-9
PbCl2	1,02 • 10-2	1,7 • 10-5
PbSO4	1,5 • 10-4	2,2 • 10-8

 

Самостоятельная работа №5

По химии

На тему: Энергия Гиббса.Элементарные и слежные реакции.Механизм реакции.Ряд стандартных электронных потенциалов.Метод электронно-ионного баланса.

Выполнила студентка группы 1-РП

Шпак Елизавета

 

2016Г

 

Свободная энергия Гиббса (или просто энергия Гиббса, или потенциал Гиббса, или термодинамический потенциал в узком смысле) — это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции; это термодинамический потенциал следующего вида:

{\displaystyle G=U+PV-TS}

Энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы (кристалла, жидкости и т. д.)

Понятие энергии Гиббса широко используется в термодинамике и химии.

Самопроизвольное протекание изобарно-изотермического процесса определяется двумя факторами: энтальпийным, связанным с уменьшением энтальпии системы (ΔH), и энтропийным T ΔS, обусловленным увеличением беспорядка в системе вследствие роста её энтропии. Разность этих термодинамических факторов является функцией состояния системы, называемой изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией Гиббса (G, кДж)

Классическим определением энергии Гиббса является выражение

{\displaystyle G=U+PV-TS,}

где {\displaystyle U} — внутренняя энергия, {\displaystyle P} — давление, {\displaystyle V} — объём, {\displaystyle T} — абсолютная температура, {\displaystyle S} — энтропия.

Дифференциал энергии Гиббса для системы с постоянным числом частиц, выраженный в собственных переменных — через давление p и температуру T:

{\displaystyle dG=-S\,dT+V\,dP.}

Для системы с переменным числом частиц этот дифференциал записывается так:

{\displaystyle dG=-S\,dT+V\,dP+\mu \,dN.}

Здесь {\displaystyle \mu } — химический потенциал, который можно определить как энергию, которую необходимо затратить, чтобы добавить в систему ещё одну частицу.

Связь с термодинамической устойчивостью системы[править | править вики-текст]

Покажем, что минимум потенциала Гиббса соответствует устойчивому равновесию термодинамической системы с фиксированными температурой, давлением и числом частиц.

Запишем обобщённое уравнение первого и второго начал термодинамики:

{\displaystyle T\,dS\geqslant dU+P\,dV.}

При {\displaystyle P=\mathrm {const},\;T=\mathrm {const} }.

{\displaystyle d(U+PV-TS)\leqslant 0.}

{\displaystyle d(G)\leqslant 0.}

Таким образом в системе при постоянных температуре и давлении энергия Гиббса достигает минимального значения.

Применение в химии[править | править вики-текст]

Связь с химическим потенциалом [править | править вики-текст]

Используя свойства экстенсивности термодинамических потенциалов, математическим следствием которых является соотношение Гиббса-Дюгема, можно показать, что химический потенциал для системы с одним типом частиц есть отношение энергии Гиббса к числу молей вещества n в системе:

{\displaystyle \mu ={\frac {G}{n}}.}

Если система состоит из частиц нескольких сортов {\displaystyle i} с числом молей {\displaystyle n_{i}} частиц каждого сорта, то соотношения Гиббса-Дюгема приводят к выражению

{\displaystyle G(p,T,N_{1}\dots)=\mu _{1}n_{1}+\mu _{2}n_{2}+\dots }

Химический потенциал применяется при анализе систем с переменным числом частиц, а также при изучении фазовых переходов. Так, исходя из соотношений Гиббса-Дюгема и из условий равенства химических потенциалов {\displaystyle \mu _{1}=\mu _{2}} находящихся в равновесии друг с другом фаз, можно получить уравнение Клапейрона-Клаузиуса, определяющее линию сосуществования двух фаз в координатах {\displaystyle (p,T)} через термодинамические параметры (удельные объёмы) фаз и теплоту перехода между фазами.^[1]

Энергия Гиббса и направление протекания реакции [править | править вики-текст]

В химических процессах одновременно действуют два противоположных фактора — энтропийный ({\displaystyle T\Delta S}) и энтальпийный ({\displaystyle \Delta H}). Суммарный эффект этих противоположных факторов в процессах, протекающих при постоянном давлении и температуре, определяет изменение энергии Гиббса ({\displaystyle G}):

{\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S.}

Из этого выражения следует, что {\displaystyle \Delta H=\Delta G+T\Delta S}, то есть некоторое количество теплоты расходуется на увеличение энтропии ({\displaystyle T\Delta S}), эта часть энергии потеряна для совершения полезной работы (рассеивается в окружающую среду в виде тепла), её часто называют связанной энергией. Другая часть теплоты ({\displaystyle \Delta G}) может быть использована для совершения работы, поэтому энергию Гиббса часто называют также свободной энергией.

Характер изменения энергии Гиббса позволяет судить о принципиальной возможности осуществления процесса. При {\displaystyle \Delta G<0} процесс может протекать — самопроизвольный процесс, при {\displaystyle \Delta G>0} процесс протекать не может — несамопроизвольный процесс (иными словами, если энергия Гиббса в исходном состоянии системы больше, чем в конечном, то процесс принципиально может протекать, если наоборот — то не может). Если же {\displaystyle \Delta G=0}, то система находится в состоянии химического равновесия.

Обратите внимание, что речь идёт исключительно о принципиальной возможности протекания реакции. В реальных же условиях реакция может не начинаться и при соблюдении неравенства {\displaystyle \Delta G<0} (по кинетическим причинам).

Существует полезное соотношение, связывающее изменение свободной энергии Гиббса {\displaystyle \Delta G} в ходе химической реакции с её константой равновесия {\displaystyle K}:

{\displaystyle \Delta G=-RT\cdot \ln Kp.}

где Кр — равновесная константа по давлению (только в атмосферах),

Вообще говоря, любая реакция может быть рассмотрена как обратимая (даже если на практике она таковой не является). При этом константа равновесия определяется как

{\displaystyle K={\frac {k_{1}}{k_{-1}}},}

где {\displaystyle k_{1}} — константа скорости прямой реакции, {\displaystyle k_{-1}} — константа скорости обратной реакции.

 

Самостоятельная работа №1

По химии

На тему: Моделирование химических явлений. Взаимосвязь химии, физики, математики и биологии.

Выполнила студентка группы 1-РП

Шпак Елизавета

 

Основные задачи лаборатории:

· Развитие фундаментальных основ современных технологических процессов и отдельных стадий обработки материалов и их поверхностей с использованием высокоэнергетических источников с учетом неравновесных физико-химических явлений.

· Изучение фундаментальных и прикладных задач, возникающих при разработке наукоемких технологий на стыках различных направлений (в смежных областях знаний, с учетом комплекса физических и химических явлений).

Научные направления:

· Моделирование физико-химических явлений в процессах обработки материалов ионными и электронными пучками;

· Моделирование формирования состава и структуры новых материалов в современных технологиях (в процессах получения новых материалов);

· Моделирование кинетических и диффузионных явлений в деформируемых средах и механического поведения материалов с физико-химическими превращениями;

· Моделирование тепловых и кинетических явлений в многофазных средах в условиях воздействия внешних полей;

· Разработка моделей сложных сред на основе неравновесной термодинамики;

· Моделирование диффузии и сопутствующих явлений в твердых средах.

 

 

Связь биологии с химией

Центральное значение химических процессов в жизни ни у кого не может вызвать сомнения. Такова природа самого явления органической жизни как более высокой формы движения материи, поэтому химия имеет непосредственное отношение к жизни. Различаются два аспекта этого отношения.

1. Химические (биохимические) процессы - основа важнейших физиологических процессов всех живых организмов, связанных с обменом веществ и энергией. Без нормального течения химических процессов, определяющих важнейшие акции всего живого (обмен веществ и энергией), возникают патологические изменения, при сильных нарушениях - смерть.

2. Происхождение жизни из неживого связано с химическим процессом. Именно химическая эволюция материи привела к возникновению жизни, поскольку между химической формой движения и жизнью нет других промежуточных форм движения. Поэтому самые главные вопросы: как и почему произошла жизнь, - должны в первую очередь относиться к компетенции химии. Без познания происхождения явления нельзя в полной мере познать его сущность. Например, если химику удалось выделить какое-то природное сложное органическое соединение, изучить его состав, свойства и даже установить структуру, то нельзя еще сказать, что об этом соединении стало известно все, даже если иметь в виду только самое главное. Если удастся еще и синтезировать это соединение, т. е. узнать пути его получения, тогда можно сказать, что стало известно это соединение в общих, главных чертах.

Чем сложнее явление, тем более важно в познании его сущности выявить происхождение и взаимосвязь с другими, порождающими его явлениями. Особенно это относится к жизни. При попытках определить сущность жизни, найти ее критерий с той или другой точки зрения, но без решения основных вопросов ее происхождения и развития из неживых систем, можно впасть в заблуждение, упустив некоторые главные особенности живого или признав второстепенные особенности специфики за главные. Из этого следует, что необходимо с большой осторожностью относиться к категоричности любых определений сущности жизни, основанных лишь на статическом подходе к этому явлению, какое бы большое число примеров и проявлений жизни при этом ни анализировалось и ни обобщалось. Другими словами, если подходить к жизни как к существующему сейчас явлению, даже имея перед собой все разнообразие ее проявлений, и не решить вопрос, как и почему она произошла, то любые наши определения жизни будут односторонними и ограниченными, кем бы они ни давались: биологом, физиком, химиком, математиком, философом.

Главным вопросом на пути нашего познания сущности жизни сейчас встает именно вопрос о ее происхождении (как и почему произошел переход от химической формы движения к биологической). Если по морфологии и физиологии живых организмов на уровне целого организма, отдельных его органов и молекулярном уровне в настоящее время наука имеет уже огромный объем конкретных сведений и он очень быстро пополняется все новыми данными и закономерностями, то по происхождению жизни пока не получено почти никаких конкретных сведений, и наука находится на уровне более или менее удачных, но не доказанных гипотез и предположений. Современные представления об органо-химической эволюции в лучшем случае только лишь описывают отдельные состояния в ходе постепенной эволюции (сначала были неорганические вещества, затем появились простейшие органические вещества, далее - органические полимеры, потом - сложные системы веществ - коацерваты, а из коацерватов получились живые клетки).

Ответы на многие вопросы основываются на соблюдении законов химии и термодинамики.

На протяжении всей истории человечества естествоиспытатели и философы искали пути к открытию и познанию сущности и происхождения жизни. Однако многие вопросы этой вечной проблемы живого до сих пор не решены, несмотря на крупнейшие открытия таких фундаментальных естественных наук, как математика, физика и химия. Неоспоримо положение, что для познания огромного разнообразия форм жизни и ее сущности первостепенное значение имеет определение «химической индивидуальности» живого организма. Биологическая химия достигла огромных успехов в изучении химического состава живых организмов (включая человека) и природы химических процессов, происходящих как в целостном организме, так и в изолированных органах и тканях на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях.

Последние два-три десятилетия ознаменовались рядом выдающихся открытий в биологической химии и в некоторых ее разделах - энзимологии, биохимической генетике, молекулярной биологии, биоэнергетике и др., выдвинувших ее в разряд фундаментальных научных дисциплин и сделавших мощным орудием решения многих важных проблем биологии и медицины. Дальнейшее развитие биологии и медицины почти невозможно без применения методологических принципов современной биологической химии. Установление способов хранения и передачи генетической информации и принципов структурной организации белков и нуклеиновых кислот, расшифровка механизмов биосинтеза этих полимерных молекул, а также молекулярных механизмов трансформации энергии в живых системах, установление роли биомембран и субклеточных структур, несомненно, способствует более глубокому проникновению в сокровенные тайны жизни и выяснению связи между структурой индивидуальных химических компонентов живой материи и их биологическими функциями.

Овладение этими закономерностями и основополагающими принципами биологической химии не только способствует формированию у будущего врача диалектико-материалистического понимания процессов жизни, но и дает ему новые, ранее недоступные возможности активного вмешательства в патологические процессы. Этими обстоятельствами диктуется необходимость изучения биологической химии.

Биологическая химия - наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, а также связь этих превращений с деятельностью органов и тканей. Из этого определения вытекает, что биохимия слагается как бы из трех частей: статической биохимии, занимающейся преимущественно анализом химического состава организмов, динамической биохимии, изучающей всю совокупность превращений веществ и энергии в организме, и функциональной биохимии, исследующей химические процессы, лежащие в основе различных проявлений жизнедеятельности. При этом разделы статической, динамической и функциональной биохимии неразрывно связаны между собой и являются частями одной и той же науки - современной биологической химии.

В зависимости от объекта исследования, биохимию условно подразделяют на биохимию человека и животных, биохимию растений и биохимию микроорганизмов. Несмотря на биохимическое единство всего живого, в животных и растительных организмах существуют и коренные различия, прежде всего в характере обмена веществ. Обмен веществ, или метаболизм, - совокупность всех химических реакций, протекающих в организме, направленных на сохранение и самовоспроизведение живых систем.

Известно, что растения строят сложные вещества своего тела (углеводы, жиры, белки) из таких простых веществ, как вода, углекислый газ и минеральные вещества, причем энергия, необходимая для этой синтетической деятельности, потребляется за счет поглощения солнечных лучей (фотосинтез). Напротив, животные организмы нуждаются в пище, состоящей не только из воды и минеральных компонентов, но и из сложных веществ органической природы - белков, жиров, углеводов.

У животных проявления жизнедеятельности и синтез веществ, входящих в состав тела, обеспечиваются за счет химической энергии, освобождающейся при распаде или окислении сложных органических соединений. Растения, не использующие для своей жизнедеятельности вещества органической природы, называются автотрофными организмами, животные же являются гетеротрофными организмами.

Среди микроорганизмов встречаются как автотрофный, так и гетеротрофный типы обмена веществ. Кроме того, микроорганизмы характеризуются наличием химических веществ и реакций, не встречающихся у животных и растений.

Современная биохимия как самостоятельная наука сложилась на рубеже XIX и ХХ вв. До этого времени вопросы, рассматриваемые ныне биохимией, изучались с разных сторон органической химией и биологией. Постепенное накопление фактического материала о составе наиболее сложных природных соединений началось с развитием в Европе в Средние века алхимии. Однако фактические данные, полученные алхимиками, трудно отделить от совершенно неправильных обобщений и представлений, господствовавших в науке в то время. В XVI-XVII вв. воззрения алхимиков получили дальнейшее развитие в трудах ятрохимиков (от греч. jatros - врач). Одним из виднейших представителей ятрохимии был немецкий врач и естествоиспытатель Т. Парацельс, который выдвинул весьма прогрессивное положение о тесной связи химии с медициной и биологией. Он считал, что в основе жизнедеятельности человека лежат химические процессы, и причиной всякого заболевания служит нарушение хода химических процессов в организме, поэтому для лечения болезни следует прибегать к химическим средствам.

Однако в целом познание закономерностей химических и ферментативных процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма, оказалось для ятрохимиков непосильной задачей. Это объясняется прежде всего отсутствием в то время знаний основных законов физики и химии, неразработанностью методов элементарного анализа органических соединений. Кроме того, ятрохимики, как и алхимики, по своему мировоззрению были метафизиками и придерживались виталистических взглядов.

Подлинный расцвет биохимии наступил в ХХ в., когда важнейшие открытия во многих ее областях следовали одно за другим. Основное значение биологической химии сводится к тому, чтобы решать на молекулярном уровне задачи фундаментальные, общебиологические, включая проблему зависимости человека от экосистемы, которую необходимо не только понять, но и защищать и научиться разумно ею пользоваться.