Термодинамика химического равновесия.

Состояние химического равновесия характеризуется законом действующих масс, который утверждает, что для реакции общего вида: а моль вещества А + b моль вещества В = с моль вещества С + d моль вещества D. В состоянии химического равновесия при постоянстве внешних условий, отношение произведете концентраций продуктов на произведение концентраций реагентов, взятых с учетом стехиометрического количества, есть величина постоянная и называется константой химического равновесия (Кс)

Kc=[Cc][Dd]/[Aa][Bb]

Константа равновесия зависит от температуры и природы реагирующих веществ, не зависит от концентрации. Константа равновесия может изменяться от 0 до ∞. Если:

Кс=0 - реакция не протекает.

Кс=∞ - реакция идет до конца,

Кс>0 - идет прямая реакция, равновесие смещено в направление образования продуктов,

Кс<0 - химическое равновесие смещено в направлении образования реагентов.

Направление химической реакции общего вида аА+ЬВ=сС+Dd для заданных концентраций веществ А,В,С,D при постоянной температуре можно определить с помощью уравнения изотермы:

ΔG°р-ции= ΔG°+RT In Пс, где:

ΔG°р-ции - изменение энергии Гиббса реакции;

ΔG° - изменение стандартной энергии Гиббса, ΔG°= -RT In Кс;

Пс - величина стехиометрического соотношения концентраций веществ, участвующих в реакции в заданных в заданных условиях,

Пc=Cc*Dd/Aa*Bb

ΔG°= -RT In Кс+RT In Пс

ΔG°=RT(In Пс- In Кс)=> In Пс- In Кс= In Пс/Kc

ΔG°р-ции=RT*In Пс/Kc

Анализ уравнения изотермы:

1) Если Пс>Кс, Пс/Кс>1, InПс/Кс>0, то ΔG°р-ции >0, В соответствии со вторым началом термодинамики , системе самопроизвольно должна протекать обратная реакция.

2) Если Пс<Кс. Пс/Кс<1, InПс/Кс<0, то ΔG°р-ции <0, В соответствии со вторым началом термодинамики и системе самопроизвольно должна протекать прямея реакция.

3) Если Пс=Кс,Пс/Кс=1, InПс/Кс=0, то ΔG°р-ции =0, в системе устанавливается состояние равновесия.

Применение термодинамики к биологическим системам.

При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенность организации живых систем:

1) Биолопгческие системы открыты, т.к. обмениваются с окружающей средой массой и энергией.

2) Живые системы не находятся в состоянии равновесия;

3) Порцессы просходящие в живых системах в конечном итоге необратимы;

4) Биологические системы гетерогенны.

Всем живым организмам для их роста и функционирования необходима энергия: растения и некоторые бактерии получают энергию от солнца, при помощи процесса фотосинтеза. Человек существует за счет пиши. Основным источником энергии для организма человека является энергия, заключенная в пищевых веществах, в продуктах питания. Часть этой энергии расходуется на:

1) Совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением, секрецией соков. перемещением метаболитов и др.;

2) Нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой воды и пищи;

3) Покрытие потерь теплоты в окружающую среду при испарении влаги с поверхности тела, а также с выдыхаемым воздухом и продуктами жизнедеятельности;

4) Совершение внешней работы связанной с перемещением человека и с его трудовой деятельностью.

Таким образом, организм не является источником новой энергии, все виды работы он совершает за счет энергии, выделяющейся при окислении питательных веществ, это является доказательством применения первого закона термодинамики к биологическим системам. С пищей в организм поступают довольно сложные химические соединения, в частности, ВМС, содержащие многочисленные слабые химические связи (водородные) и. нереализованный запас внутренней энергии. Такие вещества характеризуются высоким значением энергии Гиббса и низким значением энтропии. В ходе усвоения питательных веществ из относительно больших молекул белков, жиров, углеводов, образуются НМС (СО₂, Н₂О, NН₃), которые имеют более простую структуру и более прочные химические связи в молекулах. Процессы деструктуризации веществ (диссимиляция), в ходе которых из меньшего числа частиц образуется большее число частиц, сопровождаются ростом энтропии. Т.к. в ходе таких превращений упрочняются химические связи и реализуется запас внутренней энергии, то энергия Гиббса понижается. Таким образом продукты жизнедеятельности, в отличие от исходных питательных веществ, характеризуются более высоким значением энтропии и более низким значением энергии Гиббса. К биологическим процессам ассимиляции н диссимиляции не применимо понятие термодинамического равновесия. Живые системы находятся в стационарном состоянии, при котором скорость реакции. протекающей в одном направлении, обычно выше скорости реакции протекающей в другом направлении. причем разность скоростей таких реакций постоянна во времени. Таким образом, такое состояние при котором ее параметры во времени не изменяются, но происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой, называется стационарным. Математическое выражение второго закона термодинамики применительно к биологическим системам, представляют следующим образом:

ΔS/Δτ= Δsорг./Δτ+ ΔSсреды/Δτ , где:

Δτ -изменение времени протекания процесса.

Δτ /ΔS - скорость изменения энтропии в открытой системе

ΔSорг/Δτ - скорость изменения энтропии внутри организма.

ΔSсрды/Δτ- скорость изменения энтропии вследствие обмена организма с окружающей средой массой и энергией.

В организме протекает необратимый процесс, поэтому ΔSорг/Δτ >0.

Ученый Пригожий сформулировал основное свойство стационарного состояния. В стационарном состоянии скорость возрастания энтропии, обусловленная протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из возможных значений. Стационарное состояние (гомеостаз) обусловлено постоянством химического состава внутренней среды организма, величиной рН, осмотическим давлением и др. параметрами. Стационарное состояние в организме поддерживается за счет механизмов авторегуляция- это деятельность дыхательного центра, головного мозга механизмы терморегуляции, буферные системы, работа кишечника, печени, почек, легких. Известны нестационарные состояния - состояние стресса. Таким образом, законы термодинамики применимы к биологическим системам. Недостатком термодинамики является отсутствие информации о скоростях протекания процессов. Многие процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса, протекают очень маленькой скоростью. Например, реакция окисления глюкозы:

С₆Н₁₂О₅+6O₂=6СО₂+6Н₂O

ΔG⁰р-ции =-2800 Кдж моль

Несмотря на низкие значения энергии Гиббса реакция протекает с очень малой скоростью .Для протекания таких процессов необходимо либо нагревание, либо присутствие катализаторов, а в организме участие ферментов.