Первое начало термодинамики. Энтальпия. Энтальпия реакции. Стандартные условия. Стандартная энтальпия образования вещества, стандартная энтальпия сгорания вещества. Закон Гесса, следствия из него. Применение первого начала термодинамики к биосистемам.

Химия — СПбГПМУ, Педиатрический факультет

<h2>Первое начало термодинамики и термохимия</h2>

Основой энергетических расчетов в химии и биологии является Первое начало термодинамики. Оно формулируется как закон сохранения энергии и утверждает, что:

<ul><li> Теплота Q сообщаемая закрытой системы идёт на приращение внутренней энергии дельта U и на работу W, совершаемую системой Q=ΔU+W</li><li> В изолированной системе изменение внутренней энергии не происходит. ΔU=0.</li><li> Энергия не исчезает и не возникает из ничего, а только превращается из одной формы в другую.</li></ul>

<blockquote>Простыми словами: Энергия — это «валюта» Вселенной. Вы не можете получить её из ниоткуда, вы можете только переложить её из одного «кармана» (формы) в другой. Если вы дали системе тепло, она либо нагреется (запасет энергию), либо совершит какое-то действие (работу).</blockquote>

<blockquote>Пример из медицины: Весь метаболизм человека основан на этом законе. Энергия химических связей белков, жиров и углеводов (ΔU) превращается в теплоту для согревания тела (Q) и в механическую работу мышц или осмотическую работу почек (W).</blockquote>

Для описания тепловых эффектов при постоянном давлении (что характерно для живых организмов) вводится понятие энтальпии. Энтальпия системы (H), Дж — это термодинамическая функция, которая характеризует содержание энергии в системе при постоянном давлении. Она определяется как сумма внутренней энергии (U) и произведения давления (p) на объем (V): H = U + PV.

<blockquote>Простыми словами: Это «полная энергия» системы, учитывающая не только внутренние запасы, но и то давление и объем, в которых она находится.</blockquote>

<blockquote>Пример из медицины: При оценке основного обмена веществ мы фактически измеряем изменения энтальпии организма в состоянии покоя.</blockquote>

Когда в системе происходит химическое превращение, мы говорим об энтальпии реакции. Изменение энтальпии реакции (ΔH) — это изменение энтальпии, происходящее во время химической реакции. Она может быть положительной (эндотермическая реакция, поглощение тепла) или отрицательной (экзотермическая реакция, выделение тепла).

Формулы для расчета:

<ul><li> Для экзотермических реакций: ΔH<0</li><li> Для эндотермических реакций: ΔH>0</li></ul>

<blockquote>Простыми словами: Если реакция «греет» всё вокруг — это экзотермическая реакция (энергия выходит наружу). Если для реакции нужно тепло извне — это эндотермическая реакция.</blockquote>

<blockquote>Пример из медицины: Окисление глюкозы в клетках — экзотермический процесс (выделяется энергия для жизни). Синтез сложных молекул ДНК или белков — эндотермический процесс, требующий затрат энергии.</blockquote>

Для того чтобы результаты измерений были сопоставимы, ученые договорились использовать стандартные условия. Стандартные условия — это набор условий, при которых проводятся измерения термодинамических функций. Они включают:

<ul><li> Температура: 298 K (25 °C).</li><li> Парциальное давление газов: 1 атм.</li><li> Концентрация растворенных веществ: 1 моль/л.</li></ul>

Эти условия обозначаются индексом "°" в термодинамических величинах, например, ΔH°.

В рамках термохимии выделяют два важнейших понятия:

Стандартная энтальпия образования (ΔH°f) — это изменение энтальпии, сопровождающее образование 1 моль вещества из его элементарных форм при стандартных условиях. Для эталонных простых веществ эта величина равна 0.

Стандартная энтальпия сгорания (ΔH°c) — это изменение энтальпии, сопровождающее полное сгорание 1 моль вещества в кислороде. Стандартные энтальпии сгорания для эталонных простых веществ также равны 0.

<h3>Закон Гесса и его значение</h3>

Центральное место в термохимии занимает Закон Гесса. Он утверждает, что тепловые эффекты химических реакций не зависят от пути, по которому происходит реакция, а зависят только от начального и конечного состояний системы.

Из этого фундаментального закона вытекает несколько важных следствий:

<ul><li> Первое следствие: Энтальпия реакции равна разности суммы энтальпий образования продуктов и реагентов, умноженных на их стехиометрические коэффициенты (при стандартных условиях и 298К):</li></ul>

ΔH(х.р., 298)=Σi  ΔH°f(298, продукты) − Σj ΔH°f(298, реагенты)

<ul><li> Второе следствие: Энтальпия реакции может быть рассчитана как разность сумм энтальпий сгорания реагентов и продуктов (при стандартных условиях и 298К):</li></ul>

ΔH(х.р., 298)=Σi  ΔH°c(298, продукты) − Σj ΔH°c(298, реагенты)

<ul><li> Третье следствие (Закон Лавуазье-Лапласа): тепловой эффект прямой реакции равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком:</li></ul>

ΔHпр=-ΔHобр

<blockquote>Простыми словами: Неважно, как именно вы превратили вещество А в вещество Б — в одну стадию или в десять. Суммарная энергия, которая при этом выделится или поглотится, будет одинаковой.</blockquote>

<blockquote>Пример из медицины: Глюкоза может «сгорать» в пламени горелки мгновенно, а может медленно окисляться в клетках через десятки промежуточных стадий (гликолиз, цикл Кребса). Согласно закону Гесса, общее количество выделившейся энергии в обоих случаях будет абсолютно идентичным.</blockquote>

<h3>Применение к биологическим системам</h3>

В завершение рассмотрим применение первого начала термодинамики к биосистемам. Первое начало термодинамики применяется в биосистемах для анализа энергетических процессов, таких как метаболизм. В живых организмах:

<ul><li> Энергия, получаемая из пищи, преобразуется в химическую энергию в форме АТФ.</li><li> Работа, совершаемая организмом (например, механическая работа мышц), требует затрат энергии, которая поступает из метаболических процессов.</li><li> В изолированных системах, таких как клетки, изменение внутренней энергии происходит за счет обмена теплом и работой с окружающей средой, что позволяет поддерживать гомеостаз и выполнять жизненные функции.</li></ul>

<blockquote>Простыми словами: Организм — это машина по переработке энергии. Мы берем энергию из еды, перепаковываем её в «универсальные батарейки» АТФ и тратим на движение, мышление и поддержание порядка внутри себя.</blockquote>

<blockquote>Пример из медицины: Диетология полностью построена на законе сохранения энергии. Если «энтальпия сгорания» потребленной пищи (калорийность) выше, чем затраченная организмом работа и выделенное тепло, избыток энергии по закону сохранения обязан сохраниться в системе — обычно в виде жировых отложений (увеличение внутренней энергии системы).</blockquote>

Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по химии по экзаменационной программе