Обучающие задачи. Задача 1.В организме человека реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии

Задача 1.В организме человека реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Первая - окисление этилового спирта до уксусного альдегида с участием фермента алкогольдегидрогеназы протекает по уравнению: С₂H₅OH + ½ O₂ = CH₃COH + H₂O.

Рассчитайте DH⁰ реакции, используя первое следствие закона Гесса, если

DН⁰ _обр.(C₂H₅OH) = - 278 кДж/моль;

DН⁰ _обр.(CH₃СOH) = - 166 кДж/моль;

DН⁰ _обр.(H₂O) = - 286 кДж/моль.

Решение: DH⁰ = å n DH⁰ _{обр.пр.р.} - å n DН⁰ _{обр.исх.в.в}; DH = (-166+ (-286)-(-278)) = - 174 кДж/моль

Ответ: тепловой эффект реакции DH = -174 кДж/моль, т.е. процесс экзотермический.

Задача 2.Теплота сгорания глюкозы равна -2810 кДж/моль, теплота сгорания этилового спирта равна -1366 кДж/моль. На основании этих данных вычислите тепловой эффект биохимического процесса брожения глюкозы:

С₆Н₁₂О₆= 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

Решение: Тепловой эффект данной реакции можно рассчитать, применяя второе следствие из закона Гесса:

DН = ån DН⁰ _{сгор. исход. веществ} - å n DH⁰ _{сгор. прод. реакции}

DН = -2810 - 2 ∙(-1366) = - 78 кДж/моль

Ответ: тепловой эффект процесса брожения равен - 78 кДж/моль.

Задача 3.Рассчитайте стандартную энтропию реакции:

NH₂ - CH₂ - COOH + NH₂ - CH₂ - COOH → NH₂ - CH₂ - CO - NH - CH₂ - COOH + H₂O

глицин глицин глицилглицин

Если S⁰ _{(глицилглицина)} = 231 Дж/моль×К;

S⁰ _{(глицина)} = 159 Дж/ моль×К; S⁰( H₂O) = 70 Дж/моль×К;

Решение:

DS = S⁰₂₉₈(гл-гл) +S⁰₂₉₈(H₂O)– 2 S⁰ ₂₉₈(глицина) = (231+70)-(159+159)= -17 Дж/моль×К

Ответ:DS⁰ ₂₉₈= - 17 Дж/моль×К, т.е. энтропия уменьшится.

Задача 4.Теплота сгорания углеводов, белков и жиров составляет 17, 17 и 39 кДж

соответственно. Среднесуточная потребность в белках, жирах и углеводах для студентов - мужчин составляет 113, 106 и 451г. Какова суточная потребность студентов - мужчин в энергии?

Решение: Рассчитываем, сколько энергии выделяется при окислении углеводов, белков и жиров

DH = (451×17) + (113 × 17) + (106 × 39) = 13722 кДж или в килокалориях 13722: 4,18 = 3282,78 ккалл.

Ответ: Суточная потребность в энергии равна 13722 кДж или 3282,78 ккалл.

Задача 5. Почему процесс денатурации белка при 40⁰С является самопроизвольным, если реакция эндотермическая и тепловой эффект составляет 2830 Дж/моль? Значение DS для данной реакции равно 288 Дж/моль×К

Решение:Для определения направления процесса необходимо знать величину изменения энергии Гиббса, рассчитываемой по уравнению: DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰. Расчет показывает, что DG < 0 ( DG⁰ = 2830 Дж/моль - (313К × 288 Дж/моль×К) = - 87314 Дж/моль или - 87,3 кДж/моль).

Ответ: Поскольку DG < 0, то процесс денатурации белка при 40⁰С протекает самопроизвольно, повышение температуры тела может представлять опасность для жизнедеятельности организма.

Задача 6. Вычислите энергию Гиббса, являющуюся критерием самопроизвольности процессов, для реакции гликолиза при стандартных условиях: С₆H₁₂О₆ (р-р) ® 2С₃H₆О₃ (р-р) (молочная кислота).

Решение:

Из таблицы термодинамических величин запишем стандартную энергию Гиббса для участников химического процесса: ∆G⁰ (С₆H₁₂О₆) = -917 кДж/моль; ∆G⁰(С₃H₆О₃) = -539 кДж/моль. Используя 1 следствие из закона Гесса вычислим энергию Гиббса:

ΔG⁰ = 2×ΔG⁰ (C₃H₆O₃) - ΔG⁰ (C₆H₁₂O₆)

ΔG⁰ = 2(-539) – (-917) = -161 кДж/моль

Ответ:т.к. ΔG⁰ < 0, то реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении.

Задача 7. Вычислить изменение энергии Гиббса при 25⁰С по стандартным значениям энтальпий образования и абсолютных энтропий для данной реакции: СО + 2Н₂ = СН₃ОН

DН⁰_обрСН₃ОН = -293 кДж/моль S⁰(СН₃ОН) = 127 Дж/моль×К

DН⁰_обрСО = - 110 кДж/моль. S⁰(CO) = 198 Дж/моль×К

S⁰(H₂) = 131 Дж/моль×К

Решение: DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰

DH⁰ = ånDH⁰_{обр. пр. реак.} - ånDН⁰_{обр. исх. веществ}

DН⁰ = - 293 - (-110) = - 183 кДж/моль

DS⁰ = å n S⁰ _{прод. р} - å n S⁰ _{исход. веществ}

DS⁰ = 127 - (198 + 2(131) = - 333 Дж/моль×К

DG⁰ = - 183,5 кДж/моль - (298К × 0,333 кДж/моль×К) = - 83,8 кДж/моль

Ответ: DG⁰ = - 83,8 кДж/моль

Задача 8.Рассчитайте константу равновесия при 310 К для реакции АТФ + АМФ↔2 АДФ, если свободная энергия Гиббса реакции ΔG°=-2,1 кДж/моль

Решение:в состоянии равновесия DG⁰ = - 2,3RT lg Кс

lgKc= 0,354

K_c= 10^0,354=2,26

Ответ: Kc = 2,26

Задача 9.Константа равновесия реакции: PCl₅(г) « PCl₃(г) + Cl₂(г) при 250⁰С равна 2. В каком направлении идет реакция при следующих концентрациях: С(PCl₅) = C(PCl₃) = 2 моль/л; С(Сl₂) = 4 моль/л ?

Решение: Для определения направления протекания реакции воспользуемся уравнением изотермы

Рассчитаем Пс

Т.к. П_с > К_с, то DG > 0

Вывод: реакция самопроизвольно протекать в прямом направлении не может, т.к. DG>0.

Задача 10.Константа равновесия реакции 2SO₂ (г) + O₂(г) Û 2SO₃(г) при температуре 627⁰С равна 2,3∙10^-7, DН⁰ = 376,5 кДж/моль. Рассчитайте константу равновесия при 727⁰С.

Решение: воспользуемся уравнением изобары химической реакции:

T₁ = 273 + 627 = 900 K

T₂ = 273 + 727 = 1000K

Ответ: Константа равновесия при 727⁰С равна 3,56 × 10^-5 .

Задача 11.Для реакции Н₂О_(г) + СO_(г) ® CO₂(г) + H_2(г) константы химического равновесия равны: при 800⁰С Кр = 2,87, при 1000⁰С Кр = 1,39. Вычислите тепловой эффект этой реакции.

Решение: Применив, уравнение изобары химической реакции, рассчитаем DН

Перевёдём температуру в Кельвины: T₁ = 800 + 273 = 1073 K

T₂ = 1000 + 273 = 1273 K

Ответ:DН = -39,16 кДж/моль.