| Головна |
| «« | ЗМІСТ | »» |
|---|
Закони термодинаміки дозволяють вирішувати важливі завдання при дослідженні метаболізму в біологічних системах. Зокрема, за відомим концентраціям поживних речовин і продуктів їх перетворення в тканинах організму можна не тільки розраховувати енергетику, але і передбачати переважне напрямок біохімічних перетворень. Такі розрахунки і передбачення дуже важливі для розробки методів медичної діагностики, відновної медицини і адекватного харчування. При цьому зручно користуватися не 1-м і 2-м початком термодинаміки безпосередньо, а їх наслідками, виведеними для хімічної рівноваги. Такими наслідками є рівняння ізотерми хімічної реакції і закон діючих мас для хімічної рівноваги.
Розглянемо кілька прикладів хімічних реакцій.
I. Н2 (Г) +12 (Т) <- 2HI (г), AG° = +1,6 кДж/моль.
II. Нь (р-р) + 02 (Г) <-+ Hb02 (Р-р), AG ° = -11 кДж / моль.
III. З6Н,206 (Т) + 602 (Г) «-> 6С02 (Г) + 6Н20 (ж), AG ° = -2880 кДж / моль.
Для реакцій дані зміни енергії Гіббса AG ° в стандартних умовах: р = 101,3 кПа, Т = 298 К. У цих умовах в реакції I газоподібний водень Н2 (Г) і твердий йод 12 (Т) взаємодіють лише незначно і в невеликій кількості утворюється йодид водню HI (г). Більш того, якщо в реакційний посудину ввести спочатку тільки HI - майже безбарвний газ, то через деякий час він практично повністю перетвориться в пари йоду фіолетового кольору і водень.
В реакції II кисень, взнавств в реакційний посудину з розчином гемоглобіну нь, реагує з нь неповністю. Те ж відбувається і в легенях людини і різних тварин. Якщо в якості вихідного взяти розчин оксигемоглобіну НЬ02 (Р-р), то через деякий час в розчині виявляться нь і 02.
Таким чином, при стандартних умовах реакції I і II протікають як в прямому, так і в зворотному напрямку (позначають двома стрілками).
В реакції III тверда глюкоза СБН |2Про (т) окислюється практично повністю до діоксиду вуглецю С02 (Г) і води, якщо в системі є достатня кількість кисню. У тих же умовах діоксид вуглецю, як добре відомо, не реагує з водою з утворенням глюкози. У таких випадках прийнято вважати, що реакція йде в стандартних умовах в одному напрямку.
На основі досліджень різних хімічних перетворень, що протікають як в неживій природі, так і в живих організмах, можна сформулювати наступне визначення.
Оборотними у напрямку називаються такі хімічні реакції, які
при даних зовнішніх умовах можуть мимовільно протікати як в прямому,
так і в зворотному напрямку.
Важливо розуміти, що оборотність реакції у напрямку не можна ототожнювати з термодинамічної оборотністю процесу здійснення цієї реакції. Наприклад, при швидкому протіканні реакції I водню з йодом відбувається розігрів системи, процес термодинамічно незворотній, хоча реакція може бути звернена у напрямку при зміні умов.
Якщо за деяких умов пряма і зворотна реакції йдуть, а кількість реагентів і продуктів в системі не змінюється, це означає, що в системі встановилося хімічна рівновага.
Відповідно до 2-м початком термодинаміки при рівновазі енергія Гіббса системи постійна. Це означає, що в реакції енергія Гіббса AGp., Не змінюється, т. Е. ДС / р., = 0. Якщо в даних умовах енергія Г Іббсе реакції близька до нуля, це означає, що в цих умовах реакція оборотна за напрямком.
Таким чином, зміна енергії Гіббса AGp. * Може служити термодинамічних критерієм оборотності реакції. Можна вважати, що якщо | AGp., | за абсолютним значенням не перевищує 10 кДж / моль, т. е. | AGp. "| < 10 кДж / моль, реакція оборотна в даних умовах. Якщо | ДО'р.я| »10 кДж / моль, реакція необоротна у напрямку.
Відповідно до даного критерію реакції I водню з йодом (| AGp_ "| = = 1,6 кДж / моль) і II гемоглобіну з киснем (| AGp." | ~ 10 кДж / моль) оборотні, а реакція III глюкози з киснем ( | AGp. * | = 3000 кДж / моль) необоротна в стандартних умовах.
Слід мати на увазі, що реакції, незворотні в одних умовах, можуть стати оборотними при зміні умов. Так, наприклад, реакція III глюкози з киснем стає оборотною в листі рослин при освітленні (фотосинтез).