Тема № 3.

Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие. Учение о растворах. Коллигативные свойства растворов.

Значение темы:

Изучение темы будет способствовать формированию следующих компетенций ОК-1; ПК-1; ПК-2; ПК-3; ПК-27; ПК-31; ПК-32.

Цель занятия: после изучения темыстудент должен

Знать:

ü правила техники безопасности и работы в физических, химических, биологических лабораториях с реактивами, приборами, животными;

ü физико-химическую сущность процессов, происходящих в живом организме на молекулярном, клеточном, тканевом, органном уровнях;

ü способы выражения концентрации веществ в растворах, способы приготовления растворов заданной концентрации;

ü свойства воды и водных растворов;

ü основные типы химических равновесий (протолитические, гетерогенные, лигандообменные, окислительно-восстановительные) в процессах жизнедеятельности;

ü электролитный баланс организма человека, коллигативные свойства растворов (диффузия, осмос, осмолярность, осмоляльность).

Уметь:

ü пользоваться учебной, научной, научно-популярной литературой, сетью Интернет для профессиональной деятельности;

ü пользоваться физическим, химическим и биологическим оборудованием;

ü прогнозировать направление и результат физико-химических процессов и химических превращений биологически важных веществ;

ü производить расчеты по результатам эксперимента.

Форма организации учебного процесса: лабораторное занятие.

Место проведения занятия: учебно-научная химическая и биохимическая лаборатория.

Оснащение занятия: химическая посуда и реактивы, интерактивная доска, проекционное оборудование, инструкция по охране труда, справочная литература, средства индивидуальной защиты.

План проведения занятия:

Вопросы для изучения темы:

1. Понятие о скорости химической реакции. Закон действующих масс.

2. Молекулярность и порядок реакции.

3. Влияние различных факторов на скорость химической реакции. Фармакокинетика.

4. Кинетические уравнения реакций нулевого, первого, второго порядков. Размерность константы скорости. Период полураспада. Кинетика сложных реакций.

5. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса.

6. Энергия активации. Катализ. Катализаторы. Механизм их действия. Основы гомогенного катализа. Кислотно-основной катализ. Кинетика ферментативного катализа. Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и субстрата. Кинетическое уравнение Михаэлиса-Ментен.

7. Обратимые и необратимые химические реакции. Условия возникновения химического равновесия. Признаки истинного химического равновесия.

8. Химический потенциал, физический смысл и математическое выражение.

9. Константа химического равновесия, способы ее выражения.

10. Уравнения изотермы и изобары химической реакции. Влияние температуры на величину константы химического равновесия. Прогнозирование смещения химического равновесия. Факторы, влияющие на смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье.

11. Понятие о стационарном состоянии живого организма, его характеристика. Сходство и отличие стационарного состояния от химического равновесия. Гомеостаз и адаптация организма.

12. Растворы, определение. Роль воды и растворов в жизнедеятельности. Физико-химические свойства воды, обуславливающие ее роль в качестве единственного биорастворителя. Строение воды, образование межмолекулярных водородных связей.

13. Концентрация растворов, способы ее выражения. Массовая доля, молярная доля, молярная концентрация, моляльная концентрация, молярная концентрация эквивалента, титр.

14. Механизм и термодинамика процесса растворения. Растворение в жидкостях твердых, жидких и газообразных веществ. Характер изменения энтальпии и энтропии в процессе растворения. Насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы.

15. Растворимость, единицы ее измерения. Влияние температуры на процесс растворения.

16. Законы Генри, Дальтона и Сеченова. Применение этих законов при лечении кессонной болезни, лечении в барокамере, и исследовании электролитного состава крови.

17. Коллигативные свойства разбавленных растворов.

18. Диффузия. Закон Фика. Роль диффузии в процессах переноса веществ в биологических системах.

19. Давление пара над раствором, причины его уменьшения. Закон Рауля.

20. Относительное понижение давления пара над раствором. Повышение температуры кипения растворов. Формулы расчета. Эбулиометрическая константа, эбулиометрический способ расчета молярной массы растворенного вещества. Понижение температуры замерзания растворов. Формулы расчета. Криометрическая константа, криометрический способ расчета молярной массы растворенного вещества.

21. Осмос. Условия, необходимые для проявления осмоса, механизм. Осмотическое давление, формулы расчета. Уравнение Вант-Гоффа. Роль осмоса и осмотического давления в биологических системах. Изотонические, гипертонические и гипотонические растворы, их применение в медицине. Гемолиз и плазмолиз.

22. Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент. Причина отклонения растворов электролитов от законов Рауля и Вант-Гоффа. Уравнение, связывающее степень диссоциации и изотонический коэффициент.

Вопросы для самоконтроля знаний:

Дополните фразы:

1. Химическая кинетика изучает …………

2. Средней скоростью гомогенной реакции называют ……..

3. Скорость химической реакции зависит от ……

4. Единицы измерения скорости химической реакции: ………

5. Закон действующих масс устанавливает зависимость между скоростью химической реакции и …….

6. Величина константы скорости химической реакции зависит от ……….

7. Численное значение константы скорости реакции и скорости совпадают, если …….

8. Порядком реакции по веществу называют ……

9. Общим кинетическим порядком реакции называют ……

10. Биохимические реакции, протекающие в организме человека, преимущественно относятся к реакциям ……….. порядка.

11. Молекулярностью реакции называют …..

12. Молекулярность и порядок реакции совпадают для ………. реакций.

13. По механизму протекания химические реакции подразделяются на ……… и …….

14. Лимитирующей стадией сложной реакции называют …………

15. Сопряженными называют реакции ………..

16. Параллельными называют реакции ………..

17. Последовательными называют реакции ………..

18. Период полураспада – это ……………………

19. При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций …

20. Ускоряющее действие катализаторов обусловлено ……….

21. Отличительные свойства ферментов: ………………

22. Повышение скорости биохимических реакций при введении в систему фермента объясняется ………

23. Сродство фермента к субстрату можно оценить по величине …………..

24. Закон, определяющий соотношение между равновесными концентрациями, называется ………

25. К изменению значения константы равновесия приведут факторы: …………….

26. Значение энергии Гиббса в состоянии равновесия ………….

27. Влияние различных факторов на химическое равновесие определяет принцип ……..

28. Стационарное состояние для живого организма характеризуется ……

29. В соответствии с принципом Пригожина для стационарного состояния рассеяние энергии Гиббса открытой системой ………………

30. В биологических системах протекают совмещенные равновесия, в которых преобладает процесс, характеризующийся ………..

31. Гомеостаз – это …………

32. Ауторегулирование – это ………….

33. Растворы – …………………

34. Растворителем считается компонент раствора, ………………..

35. Универсальным растворителем является …………

36. Кислород в молекуле воды находится в …………. гибридизации.

37. Форма молекулы воды – ……………

38. Физические свойства воды ……………

39. Высокая температура кипения воды объясняется …………

40. Диэлектрическая проницаемость воды равна ………..

41. Соединения, имеющие высокое сродство к воде называются ………

42. Соединения, имеющие низкое сродство к воде называются ………

43. Физические явления при растворении – ………………

44. Химические явления при растворении – …………………..

45. Тепловой эффект процесса растворения: ∆ Н_кр.р ……... 0 (…………………..).

46. ∆ Н_сольв. ….. 0 (………………..).

47. При растворении твердых и жидких веществ ∆ S ….. 0; ∆ S …… 0 при растворении газов.

Расчетные формулы:

Кинетические уравнения для реакций:

Период полупревращения (полураспада) t_½ для реакций:

0 - порядка t_½ = С₀ / (2 • k₀);

I - порядка t_½ = 0, 693 / k_I;

II - порядка t_½ = 1 / (k_II • С₀).

Уравнение Вант-Гоффа: υ _Т2 / υ _Т1 = γ ^{Т2 -Т1 / 10}.

Уравнение Аррениуса: k = А× е ^–Еа/RT;

lg(k_T2 / k_T1) = E_a • (T₂ - T₁) / (2, 3 • R • T₂ • T₁);

E_a = lg (k_T2 / k_T1) • (2, 3 • R • T₂ • T₁) / (T₂ - T₁).

Уравнение Михаэлиса-Ментен: V = V_max • [S] / (К_m + [S]).

∆ G⁰ = - R • T • lnК_с;

∆ G = - R • T • ln(К_с/П_с) = R • T • ln(П_с / К_с);

К_с = е ^{- ∆ G /R× T}.

Коллигативные свойства растворов неэлектролитов:

р = К_р • c(х₁);

∆ Т_зам = К_кр • b(х)= К_кр • n(х) / m_р-ля = К_кр • m(х) • 1000 / (М(х) • m_р-ля);

М(х) = К_кр • m(х) • 1000 / (∆ Т_кип • m_р-ля);

∆ Т_кип = К_э • n(х) / m_р-ля = Кэ • m(х) • 1000 / (М(х) • m_р-ля);

М(х) = К_э • m(х) • 1000 / (∆ Т_кип • m_р-ля);

Уравнение Вант-Гоффа: π = С(х) • R • T (кПа); M(х) = m(х) • R • T / (π • V_р-ра).

Коллигативные свойства растворов электролитов:

р = i • К_р • c(х₁);

π = i • С(х) • R • T;

∆ Т_зам = i • Ккр • С(х);

∆ Т_кип = i • Кэ • С(х); i - изотонический коэффициент, показывает реальное число ионов, на которое распадается электролит. Изотонический коэффициент связан со степенью диссоциации – α = (i – 1) / (n – 1), где i –; n – число ионов.

Ситуационные задачи:

1. Фармпрепарат при 50⁰С в воде подвергается термическому разложению по уравнению первого порядка с константой скорости 0, 071 мин^-1. Сколько времени нужно нагревать раствор при 50⁰С для того, чтобы исходная концентрация вещества, равная 0, 01 моль/л, уменьшилась до 0, 001 моль/л?

2. Константа скорости реакции гидролиза трипептида аланилглицилглицина, которая протекает как реакция первого порядка, равна 0, 0116 мин^-1. Какое количество исходного вещества (в процентах) прореагирует за 1 час?

3. Реакция разложения пероксида водорода в водном растворе протекает как реакция первого порядка. Период полураспада при данных условиях 15, 86 мин. Определите, какое время требуется для разложения 99% взятого количества пероксида водорода.

4. Из 1 кг сахарозы при превращении ее в глюкозу и фруктозу в присутствии воды и фермента, сахарозы за 5 часов осталось 0, 6 кг. Какое количество сахарозы останется через 2 ч 20 мин? Определите время полураспада.

5. Константа равновесия разложения лекарственного вещества в автоклаве при 413 К равна 0, 396· 10⁵ Па, а при 443 К – 1, 286· 10⁵ Па. Вычислите тепловой эффект реакции. Рассчитайте константу равновесия, если ∆ G⁰₂₉₈ для данной реакции равно – 4, 478 кДж/моль.

6. Для реакции H₂ + I₂ → 2HI при 444⁰С константа равновесия равна 50. Определите направление процесса, если исходная смесь имеет следующий состав: C(H₂) = 2 моль/л, C(HI) = 10 моль/л.

7. Температура кипения раствора, содержащего 6, 4 г адреналина в 360 г CCl₄, на 0, 49⁰ выше температуры кипения чистого CCl₄. К_э = 5, 02 кг∙ К/моль. Какова молярная масса адреналина?

8. Этиловый спирт внутривенно иногда вводят при гангрене и абсцессе легкого в виде раствора с массовой долей 20%. Определите, будет ли при 37⁰С этот раствор изотоничен плазме крови? Плотность раствора принять за 1 г/мл.

9. Почему при аллергических реакциях, сопровождающихся отеками тканей, в организм вводят высококонцентрированные растворы хлорида кальция (10%) и глюкозы (20%)?

10. Сколько граммов глюкозы нужно растворить в 270 г воды для повышения температуры на 1 градус?

11. Осмотическое давление раствора гемоглобина в воде, содержащего 124 г в литре при 17⁰С равно 4400 н/м². Рассчитайте молярную массу гемоглобина.

12. Осмотическое давление плазмы крови равно 780000 н/м². Рассчитайте, сколько граммов хлорида натрия необходимо для приготовления 200 мл раствора, изотоничного плазме крови. Степень диссоциации хлорида натрия равна 95%.

13. Опишите состояние эритроцитов при 310⁰К в растворах сахарозы с массовой долей 8% (плотность 1, 03 г/мл) и глюкозы 2% (1, 006 г/мл).

Лабораторная работа №3. «Изучение зависимости скорости реакции от концентрации и температуры», «Качественные опыты по химическому равновесию», «Изучение явлений плазмолиза и гемолиза эритроцитов».

Основная литература:

1. Общая химия. / Попков В.А., Пузаков С.А. – М.: ГЭОТАР – Медиа, 2010. – 976 с.

2. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. / Под ред. Ю.А. Ершова. – М.: Высшая школа, 2007. – 559 с.

3. Пузаков С.А. Сборник задач и упражнений по общей химии: Учеб. пособие. / Пузаков С.А., Попков В.А., Филиппова А.А. – М.: Высш. шк., 2008. – 255 с.

Дополнительная литература:

1. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. В 2-х т. Т1 / Под ред. А.А. Ищенко. – 2-е изд., испр. – М.: Академия, 2012. – 352 с.; Т2 / Под ред. А.А. Ищенко. – 2-е изд., испр. – М.: Академия, 2012. – 416 с.

2. Вопросы медицинской химии (журнал).

3. Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии (журнал).

4. Фармация (журнал).

5. Химико-фармацевтический журнал (журнал).

6. Интернет-ресурсы (https://www.xumuk.ru/, https://www.biochemistry.ru/).