Предмет и задачи химии. Место химии в системе естественных наук. Химические дисциплины в системе медицинского образования

Задачи:

1. Исследование строения вещества, развитие теории строения и свойств молекул и материалов. Важно установление связи между строением и разнообразными свойствами веществ и на этой основе построение теорий реакци­онной способности вещества, кинетики и механизма химических реакций и ката­литических явлений.

2. Осуществление направленного синтеза новых веществ с заданными свойствами. Здесь также важно найти новые реакции и катализаторы для более эффективного осуществления синтеза уже известных и имеющих промышленное значение соединений.

3. Традиционная задача химии приобрела особое значе­ние. Оно связано как с увеличением числа химических объектов и изучаемых свойств, так и с необходимостью определения и уменьшения последствий воз­действия человека на природу.

Химия является общетеоретической дисциплиной. Она призвана дать студентам современное научное представление о веществе как одном из видов движущейся материи, о путях, механизмах и способах превращения одних веществ в другие. Знание основных химических за­конов, владение техникой химических расчетов, понимание возможностей, пре­доставляемых химией с помощью других специалистов, работающих в отдель­ных и узких ее областях, значительно ускоряют получение нужного результата в различных сферах инженерной и научной деятельности.

Химическая отрасль — одна из важнейших отраслей промышленности в нашей стране. Производимые ею химические соединения, различные композиции и материалы применяются повсюду: в машиностроении, металлургии, сельском хозяйстве, строительстве, электротехнической и элек­тронной промышленности, связи, транспорте, космической технике, медицине, быту, и др. Главными направлениями развития современной химической промышленности являются: производство новых соединений и материалов и повышение эффек­тивности существующих производств.

В медицинском вузе студенты изучают общую, биоорганическую, биологическую химию, а также клиническую биохимию. Знания студентами комплекса химических наук в их преемственности и взаимосвязи дают большую возможность, больший простор в исследовании и практическом использовании различных явлений, свойств и закономерностей, способствует развитию личности.

Специфическими особенностями изучения химических дисциплин в медицинском вузе являются:

· взаимозависимость между целями химического и медицинского образования;

· универсальность и фундаментальность данных курсов;

· особенность построения их содержания в зависимости от характера и общих целей подготовки врача и его специализации;

· единство изучения химических объектов на микро- и макроуровнях с раскрытием разных форм их химической организации как единой системы и проявляемых ею разных функций (химических, биологических, биохимических, физиологических и др.) в зависимости от их природы, среды и условий;

· зависимость от связи химических знаний и умений с реальной действительностью и практикой, в том числе медицинской, в системе «общество - природа - производство - человек», обусловленных неограниченными возможностями химии в создании синтетических материалов и их значением в медицине, развитием нанохимии, а также в решении экологических и многих других глобальных проблем человечества.

.

1. Взаимосвязь между процессами обмена веществ и энергии в организме

Процессы жизнедеятельности на Земле обусловлены в значительной мере накоплением солнечной энергии в биогенных веществах — белках, жирах, углеводах и последующими превращениями этих веществ в живых организмах с выделением энергии. Особенно отчетливо понимание взаимосвязи химических превращений и энергетических процессов в организме было осознано после работы А. Лавуазье (1743—1794) и П. Лапласа (1749— 1827). Они прямыми калориметрическими измерениями показали, что энергия, выделяемая в процессе жизнедеятельности, определяется окислением продуктов питания кислородом воздуха, вдыхаемым животными.

Обмен веществ и энергии — совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В обмене веществ, или метаболизме, обеспеченном сложнейшей регуляцией на разных уровнях, участвует множество ферментных систем. В процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. При этих превращениях освобождается и поглощается энергия.

С развитием в XIX—XX вв. термодинамики — науки о взаимопревращениях теплоты и энергий — стало возможно количественно рассчитывать превращение энергии в биохимических реакциях и предсказывать их направление.

Обмен энергии может осуществляться передачей теплоты или совершением работы. Однако живые организмы не находятся в равновесии с окружающей средой и поэтому могут быть названы неравновесными открытыми системами. Тем не менее при наблюдении в течение определенного отрезка времени в химическом составе организма видимых изменений не происходит. Но это не значит, что химические вещества, составляющие организм, не подвергаются никаким превращениям. Напротив, они постоянно и достаточно интенсивно обновляются, о чем можно судить по скорости включения в сложные вещества организма стабильных изотопов и радионуклидов, вводимых в клетку в составе более простых веществ-предшественников.

Между обменом веществ и обменом энергии существует одно принципиальное различие. Земля не теряет и не получает сколько-нибудь заметного количества вещества. Вещество в биосфере обменивается по замкнутому циклу и т.о. используется многократно. Обмен энергией осуществляется иначе. Она не циркулирует по замкнутому циклу, а частично рассеивается во внешнее пространство. Поэтому для поддержания жизни на Земле необходим постоянный приток энергии Солнца. За 1 год в процессе фотосинтеза на земном шаре поглощается около 10²¹ калсолнечной энергии. Хотя она составляет лишь 0,02% всей энергии Солнца, это неизмеримо больше, чем та энергия, которая используется всеми машинами, созданными руками человека. Столь же велико количество участвующего в кругообороте вещества.

2. Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики. Предмет и методы химической термодинамики

Химическая термодинамикаизучает переходы химической энергии в другие формы — тепловую, электрическую и т. п., уста­навливает количественные законы этих переходов, а также направление и пределы самопроизвольного протекания химиче­ских реакций при заданных условиях.

Термодинамический метод основан на ряде строгих понятий: «система», «состояние системы», «внутренняя энергия системы», «функция состояния системы».

Объектом изучения в термодинамике является система

Одна и та же система может находиться в различных состоя­ниях. Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров. К термодина­мическим параметрам относятся температура, давление, плот­ность, концентрация и т. п. Изменение хотя бы только одного термодинамического параметра приводит к изменению состояния системы в целом. Термодинамическое состояние системы назы­вают равновесным, если оно характеризуется постоянством тер­модинамических параметров во всех точках системы и не изменя­ется самопроизвольно (без затраты работы).

Химическая термоди­намика изучает систему в двух равновесных состояниях (конеч­ном и начальном) и на этом основании определяет возможность (или невозможность) самопроизвольного течения процесса при заданных условиях в указанном направлении.

Термодинамика изучаетвзаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энергии между телами в форме теплоты и работы. Термодинамика базируется на двух основных законах, по­лучивших название первого и второго начал термодинамики. Предметом изучения в термодинамике является энергия и законы взаимных превращений форм энергии при химических ре акциях, процессах растворения, испарения, кристаллизации.

Хими́ческая термодина́мика — раздел физической химии, изучающий процессы взаимодействия веществ методами термодинамики.
Основными направлениями химической термодинамики являются:
Классическая химическая термодинамика, изучающая термодинамическое равновесие вообще.
Термохимия, изучающая тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции.
Теория растворов, моделирующую термодинамические свойства вещества исходя из представлений о молекулярном строении и данных о межмолекулярном взаимодействии.
Химическая термодинамика тесно соприкасается с такими разделами химии, как аналитическая химия; электрохимия; коллоидная химия; адсорбция и хроматография.
Развитие химической термодинамики шло одновременно двумя путями: термохимическим и термодинамическим.
Возникновением термохимии как самостоятельной науки следует считать открытие Германом Ивановичем Гессом, профессором Петербургского университета, взаимосвязи между тепловыми эффектами химических реакций ---законы Гесса.

3. Термодинамические системы: изолированные, закрытые, открытые, гомогенные, гетерогенные. Понятие о фазе.

Система – это совокупность взаимодействующих веществ, мысленно или фактически обособленная от окружающей среды (пробирка, автоклав).

Химическая термодинамика рассматривает переходы из одного состояния в другое, при этом могут изменяться или оставаться постоянными некоторые параметры:

· изобарические – при постоянном давлении;

· изохорические – при постоянном объеме;

· изотермические – при постоянной температуре;

· изобарно - изотермические – при постоянном давлении и температуре и т.д.

Термодинамические свойства системы можно выразить с помощью нескольких функций состояния системы, называемых характеристическими функциями: внутреннейэнергииU, энтальпии H, энтропии S, энергии Гиббса G, энергии Гельмгольца F. Характеристические функции обладают одной особенностью: они не зависят от способа (пути) достижения данного состояния системы. Их значение определяется параметрами системы (давлением, температурой и др.) и зависит от количества или массы вещества, поэтому принято относить их к одному молю вещества.

По способу передачи энергии , вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются :

1. Замкнутая ( изолированная ) система - это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией , ни веществом ( в том числе и излучением ) , ни информацией .

2. Закрытая система - система в которой есть обмен только с энергией .

3. Адиабатно изолированная система -это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты .

4. Открытая система - это система , которая обменивается и энергией , и веществом , и информацией .

Классификация систем:
1) по возможности тепло- и массообмена: изолированные, закрытые, открытые. Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом и энергией. Понятие изолированной системы используется в физической химии как теоретическое.
2) по внутренней структуре и свойствам: гомогенные и гетерогенные. Гомогенной называется система, внутри которой нет поверхностей, делящих систему на части, различные по свойствам или химическому составу. Примерами гомогенных систем являются водные растворы кислот, оснований, солей; смеси газов; индивидуальные чистые вещества. Гетерогенные системы содержат внутри себя естественные поверхности. Примерами гетерогенных систем являются системы, состоящие из различных по агрегатному состоянию веществ: металл и кислота, газ и твёрдое вещество, две нерастворимые друг в друге жидкости.
Фаза – это гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковый состав, физические и химические свойства, отделённая от других частей системы поверхностью, при переходе через которую свойства системы меняются скачком. Фазы бывают твёрдые, жидкие и газообразные. Гомогенная система всегда состоит из одной фазы, гетерогенная – из нескольких. По числу фаз системы классифицируются на однофазные, двухфазные, трёхфазные и т.д.

5.Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Изобарный и изохорный тепловые эффекты.

Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца.

Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии.

Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника. Процесс, протекающий при постоянной температуре, назы­вается изотермическим, при постоянном давлении - изобаричес­ким, при постоянном объеме – изохорическим. Если во время процесса система изолирована от внешней среды таким образом, что исключен теплообмен со средой, процесс называют адиабатическим.