Hóa sinh lý: Những lưu ý ngắn về các nguyên tắc của Hóa sinh
Ghi chú ngắn về các nguyên tắc hóa học sinh lý!
Thang đo pH:
Sorensen (1909) đã giới thiệu một phương tiện thuận tiện để thể hiện nồng độ của các ion H + . Nó được gọi là số mũ hydro hoặc thang pH hoặc giá trị pH đơn giản là pH.
Trên thang đo này, nồng độ ion H + được viết là công suất. Do đó, pH là logarit âm của các ion hydro đến mười gốc được biểu thị bằng mol gram / lít.
pH = -log 10 [H + ]
ví dụ: nếu nồng độ H + trong dung dịch là 10 -5 gam mol / lít thì logarit của nó sẽ là -5 và logarit âm của nó sẽ là 5. Do đó, độ pH theo định nghĩa sẽ là 5.
Lý do duy nhất, tại sao thang đo pH được sử dụng thay vì biểu hiện trực tiếp nồng độ H +, là vì nó dễ hiểu hơn. Tuy nhiên, nhược điểm chính của hệ thống này là trong khi [H + ] có thể thay đổi gấp mười lần, nó tạo ra sự thay đổi chỉ một đơn vị trên thang đo pH. Điều này làm cho sự thay đổi rõ ràng ít ấn tượng hơn.
Tương tự, pOH = - log 10 [OH - ]
pH + pOH = 14
Vì tor nước tinh khiết {H + ] = {OH] = 10 -7, do đó nước tinh khiết là trung tính.
Vì các ion hydro truyền các tính chất axit và các ion hydroxyl kiềm cho các dung dịch, giá trị pH là biểu hiện của độ axit và độ kiềm của các dung dịch. Độ pH của nước tinh khiết, ở nhiệt độ phòng là 7 và ở độ pH này, nồng độ H + và OH - bằng nhau, do đó nước tinh khiết là trung tính. Khi pH dưới 7 thì dung dịch có tính axit và khi trên 7 thì nó có tính kiềm.
Bộ đệm:
Trong nhiều phản ứng sinh hóa, điều cần thiết là giữ cho pH của dung dịch không đổi ngay cả khi một lượng nhỏ axit và kiềm được thêm vào nó. Các giải pháp có thể chống lại sự thay đổi độ pH bằng cách pha loãng hoặc thêm một lượng nhỏ axit và kiềm được gọi là chất đệm.
Các chất đệm được sử dụng phổ biến nhất là hỗn hợp các axit yếu và muối của chúng. Cơ chế của chức năng đệm có thể được hiểu bằng cách lấy ví dụ về bộ đệm được tạo thành từ axit axetic và natri axetat. Hai người này tách ra theo cách sau.
CH 3 COOH CH 3 COOO - + H +
CH 3 COONa CH 3 COO - + Na +
Nếu một axit, ví dụ, HC1 được thêm vào hỗn hợp này, các ion hydro từ axit sẽ phản ứng với natri axetat để tạo thành axit axetic.
CH 3 COONa + HCI CH 3 COOH + NaC1
Nếu một bazơ, ví dụ, NaOH được thêm vào thì nó phản ứng với axit axetic để tạo thành natri axetat.
CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O
Do đó, việc bổ sung axit hoặc bazơ làm thay đổi tỷ lệ muối-axit của dung dịch đệm. Bổ sung axit hoặc bazơ mang lại sự thay đổi pH rất ít ỏi.
Giả sử trong một dung dịch đệm axit axetic và natri axetat, nồng độ mol của muối và axit bằng nhau, sau đó
pH = pK a (phương trình Henderson-Hasselbalch), pK a cho axit axetic là 4, 73: do đó pH = 4, 73. Bây giờ, nếu một lượng axit axetic bằng nhau được thêm vào bộ đệm này thì 'tỷ lệ axit-muối thay đổi thành
hoặc pH = pK a + log l / 2
pH = pK a + log 0, 5
hoặc pH = 4, 73 + (-0, 3)
Do đó pH = 4, 43
Do đó, một sự thay đổi chỉ 0, 3 đơn vị pH được đưa ra khi số lượng axit được tăng gấp đôi. Do đó, một bộ đệm có thể hoạt động hiệu quả cho một đơn vị pH ở hai bên của pK, ví dụ, một bộ đệm được tạo thành từ axit axetic sẽ có hiệu quả từ pH 3, 73 đến 5, 73. Đây là lý do tại sao các axit khác nhau phải được sử dụng cho các phạm vi đệm khác nhau.
Khả năng đệm:
Mặc dù độ pH của dung dịch đệm phụ thuộc vào tỷ lệ muối-axit, (phương trình Henderson-Hasselbalch), khả năng chống lại sự thay đổi độ pH phụ thuộc vào lượng muối và axit tuyệt đối. Theo Van Slyke, khả năng đệm của bộ đệm là 1, nếu nó cần 1 gram tương đương (1000 ml IN) axit hoặc kiềm để mang lại sự thay đổi 1 đơn vị pH.
Cơ chế đệm của cơ thể:
Việc đệm trong cơ thể được thực hiện ở hai cấp độ: (1) Đệm trong các ô (2) Đệm bên ngoài các ô.
(1) Đệm trong các ô:
Có một số hệ thống đệm trong tế bào được tạo thành từ axit hữu cơ, axit béo, axit amin và muối của tất cả các chất này. Axit photphoric và muối của nó là chất đệm quan trọng của tế bào.
Rất khó để xác định các cơ chế đệm chính xác liên quan đến tế bào vì tế bào là một tổ hợp không đồng nhất của các bào quan, có hệ thống enzyme và đệm riêng. Rất ít công việc đã được thực hiện trên cơ chế đệm của dịch nội bào. Tuy nhiên, dường như phốt phát tạo thành hệ thống đệm quan trọng nhất trong các tế bào.
(2) Đệm bên ngoài các ô:
Các tế bào riêng lẻ của cơ thể được bao quanh bởi, chất lỏng tế bào thêm gọi là bạch huyết, chảy qua các mạch bạch huyết. Bạch huyết là một siêu lọc máu và thành phần của nó rất giống với trước đây.
Độ pH của bạch huyết cũng rất gần với máu. Để duy trì độ pH không đổi của dịch nội bào và do đó toàn bộ cơ thể, độ pH của máu (huyết tương) được duy trì rất chính xác, ví dụ như trường hợp của con người, độ pH của huyết tương được duy trì chính xác khoảng 7.4 bởi các cơ chế mạnh mẽ.
Ngay cả những thay đổi nhỏ trong pH huyết tương cũng rất nghiêm trọng và có thể gây tử vong. Tính nhạy cảm của cơ thể đối với những thay đổi nhỏ trong pH huyết tương lớn đến mức độ pH 7 gây ra tính axit của huyết tương (nhiễm toan) và pH là 7.6 gây ra tình trạng kiềm huyết tương (kiềm máu) cả hai đều có thể gây tử vong. Tuy nhiên, rõ ràng là ngay cả trong nhiễm toan, máu có thể không thực sự trở thành axit.
(a) Bộ đệm của máu:
Một số lượng lớn axit được sản xuất trong quá trình chuyển hóa trung gian. Những điều này có xu hướng làm giảm độ pH của máu. Trong số tất cả các axit được tạo ra, CO 2 (axit carbonic) là quan trọng nhất vì nó là sản phẩm cuối cùng của các phản ứng sản xuất năng lượng. Nó được sản xuất với số lượng lớn và phải liên tục được loại bỏ hoặc trung hòa để duy trì độ pH của máu.
Các huyết sắc tố (HHb) có trong RBC có tính axit yếu. Nó phản ứng, với các bazơ, chủ yếu là các bazơ kali; có mặt trong RBC để tạo thành muối. Những muối này được gọi là kali haemoglobinates (KHb). Do đó, một hệ thống đệm của KHb / HHb được hình thành.
Màng hồng cầu (RBC) có thể bán được. Nó được thẩm thấu vào CO., H + và các anion như HCO 3 -, CI, v.v. nhưng không thấm vào các cation như Na +, K + và Ca ++ . CO 2 được tạo ra trong quá trình trao đổi chất đi vào hồng cầu. Với sự hiện diện của một enzyme anhydrase carbonic, có trong RBC, CO 2 kết hợp với nước để tạo thành axit carbonic.
H 2 CO 3 là một axit mạnh hơn HHb. Do đó, nó phản ứng với KHb để tạo thành KHCO 3 và HHb.
H 2 CO 3 + KHb KHCO 3 + HHb
KHCO 3, do đó được hình thành, phân tách theo cách sau:
KHCO 3 R + + HCO 3 -
HCO 3 - đi vào plasma để lại K + tích điện phía sau. Để duy trì tính trung hòa điện CI ion ion được hình thành do sự phân ly NaCl xâm nhập vào hồng cầu để lại Na + phía sau (vì màng hồng cầu không thấm được Na + ). Do đó, có nhiều hơn 1, 5% ion clorua trong hồng cầu so với trong huyết tương.
Trong huyết tương, HCO 3 - kết hợp với Na + bị bỏ lại bởi CI - .
Na + + HCO 3 - Đầm-> NaHCO 3
Mức độ NaHCO 3 tăng trong máu và nó làm tăng pH máu. Toàn bộ cơ chế này được gọi là dịch chuyển clorua và được Hamburger phát hiện vào năm 1918. Do đó, rõ ràng là để đáp ứng với việc sản xuất CO 2 (hoặc cho vấn đề đó H 2 CO 3 ), có sự sản xuất liên tục NaHCO-, do đó dung dịch đệm NaHCO 3 / H 2 CO 3 được duy trì. Các bicarbonat trong máu được gọi là dự trữ kiềm của cơ thể.
(b) Trục xuất CO 2 trong phổi:
Các bicacbonat hình thành trong máu hoạt động với các axit có trong nó.
HA + NaHCO 3 NaA + H 2 CO 3
Trong phổi, anhydrase carbonic hoạt động theo cách ngược lại
CO 2 do đó hình thành được thải ra ngoài phổi bằng cách thở ra. Do đó, mức độ HC0 3 trong hồng cầu giảm và HCO 3 - truyền từ huyết tương vào trong tế bào. Một lần nữa để duy trì CI trung tính điện - đi vào tế bào sẽ quay trở lại plasma. NaHC0 3 của huyết tương bị giảm và NaCl tăng.
(c) Bài tiết axit qua thận:
Máu luôn có tính kiềm (pH 7.4) và nước tiểu luôn có tính axit (pH 5 đến 6). Dường như bằng cách chiết xuất axit từ máu, nước tiểu duy trì độ axit trong khi máu duy trì độ kiềm. Các ion hydro được đưa lên trong ống lượn gần của ống thận.
Điều này làm đảo lộn sự cân bằng điện giải và trao đổi Na + đi ra khỏi ống và đi vào máu thông qua các tế bào của ống lượn gần. Trong máu Na + kết hợp với HCO 3 - tạo thành NaHCO 3 . Do đó, NaHC0 3 được hình thành sẽ bổ sung vào nguồn dự trữ kiềm của cơ thể.
Các ion hydro đi vào ống kết hợp với các ion bicarbonate để tạo thành axit carbonic. Điều này có một trong những số phận sau đây:
(1) Nó kết hợp với phốt phát,
HPO 4 - + H 2 CO 3 HaPO 2 - + HCO 3 -
Các phốt phát được bài tiết qua nước tiểu và bicarbonat trở lại máu. Chỉ có một lượng rất nhỏ bicarbonate được bài tiết như vậy; trong quá trình nhiễm toan thậm chí điều này còn giảm
(2) Một phần của các ion hydro kết hợp với amoniac liên tục được tiết ra bởi các ống và tạo thành hệ thống đệm sau đây.
pH = pK a + log NH 3 / NH 4
Nhiều công nhân đã quan sát thấy rằng sự bài tiết NH 3 tăng lên khi tăng độ axit của máu.
Động học hóa học:
Nhánh của hóa học vật lý trong đó chúng ta nghiên cứu tốc độ phản ứng và cơ chế của phản ứng được gọi là động học hóa học.
Tốc độ phản ứng:
Tốc độ của phản ứng có thể được định nghĩa là, tốc độ thay đổi nồng độ của các chất phản ứng theo thời gian. Nói cách khác, nó được đo bằng lượng chất trong khối lượng đơn vị thay đổi theo thời gian đơn vị và lượng được đo bằng mol . Như vậy
Tốc độ phản ứng = Lượng biến đổi / Thời gian thực hiện chuyển đổi
= dx / dt
Trong đó dx là lượng chất thay đổi và dt là một khoảng thời gian rất nhỏ. Dấu âm cho thấy vận tốc của phản ứng giảm dần theo thời gian. Điều quan trọng cần lưu ý là khái niệm vận tốc hoặc tốc độ cơ học không thể được sử dụng để đo tốc độ phản ứng. Bởi vì tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ mol của các chất phản ứng và nó giảm dần theo thời gian, do đó tốc độ phản ứng thay đổi theo thời gian.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng:
1. Ảnh hưởng của nồng độ:
Tốc độ của một phản ứng giảm khi giảm nồng độ.
2. Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Nó được quan sát thấy rằng tốc độ tăng phản ứng với sự gia tăng nhiệt độ. Nói chung, tốc độ của một phản ứng tăng gấp đôi khi tăng 10 ° C (thường là 25-35 ° C).
3. Tác dụng của bản chất của chất phản ứng:
Nó được quan sát thấy rằng các phản ứng trong đó các ion đơn giản có liên quan; diễn ra nhanh hơn các phản ứng trong đó các ion của các liên kết đáng kể có liên quan. Ví dụ, quá trình oxy hóa ion Fe 2+ bằng ion permanganat (Mn0 4 - ion) trong môi trường axit diễn ra nhanh hơn quá trình oxy hóa ion C 2 O 4 2- trong cùng điều kiện.
4. Tác dụng của chất xúc tác:
Trong chất xúc tác nói chung làm tăng tốc độ phản ứng.
5. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt của chất phản ứng:
Người ta quan sát thấy các hạt nhỏ hơn phản ứng nhanh hơn các hạt lớn hơn có cùng khối lượng. Ví dụ, bụi than cháy nhanh hơn so với các cục than lớn.
6. Ảnh hưởng của bức xạ:
Tốc độ của các phản ứng nhất định tăng lên do sự hấp thụ các photon của bức xạ nhất định. Phản ứng như vậy được gọi là phản ứng quang hóa.
Tỷ lệ không đổi:
Theo lý thuyết va chạm, tốc độ của phản ứng tỷ lệ thuận với số lượng va chạm phân tử diễn ra mỗi giây. Do đó, khi tăng nồng độ của số lượng chất phản ứng va chạm tăng, do đó tốc độ của phản ứng tăng lên.
Vì vậy, cho một phản ứng chung
A → Sản phẩm
r = dx / dT = -dC A / dt kC A
Trong đó r = tốc độ phản ứng, C A = Nồng độ của chất phản ứng A và k = hằng số tốc độ.
Nếu C A = 1, thì r = k.
Chúng ta có thể nói rằng ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ bằng hằng số tốc độ phản ứng khi nồng độ của chất phản ứng là thống nhất. Do đó hằng số tốc độ được gọi là tốc độ phản ứng cụ thể.
Trong trường hợp có hai chất phản ứng, phản ứng có thể được viết là;
A + B → Sản phẩm
r = dx / dT = kC A C B
Trường hợp tất cả các thuật ngữ có ý nghĩa thông thường
Nếu C A = C B = 1, thì r = k
Do đó hằng số tốc độ bằng tốc độ của phản ứng khi nồng độ của mỗi chất phản ứng là thống nhất.
Thứ tự của một phản ứng:
Phản ứng hóa học có thể được phân loại trên cơ sở số lượng phân tử cuối cùng phải phản ứng để tạo thành các sản phẩm phản ứng. Như vậy ta có đơn phân tử, lưỡng phân; và các phản ứng phân tử, trong đó một, hai hoặc ba phân tử, tương ứng trải qua phản ứng.
Phản ứng hóa học được phân loại trên cơ sở động học theo thứ tự phản ứng như phản ứng bậc 0, bậc 1, bậc hai và bậc ba, tùy thuộc vào mức độ phản ứng bị ảnh hưởng bởi nồng độ của các chất phản ứng trong một điều kiện nhất định.
1. Phản ứng không thứ tự:
Nếu tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ của chất phản ứng thì phản ứng được gọi là phản ứng bậc 0. Ví dụ
A -> Sản phẩm
r = - dC o A / dt = k
Nếu a = nồng độ ban đầu, x = lượng bị phân hủy trong thời gian 't' thì
k a- (a- x) / t = x / t
2. Phản ứng thứ tự đầu tiên:
Nếu tốc độ của một phản ứng được xác định bởi sự thay đổi của nồng độ chỉ có một chất phản ứng thì phản ứng đó được gọi là phản ứng bậc nhất. Ví dụ,
A → Sản phẩm
r = dC A / dt = kC A
-dC A / C A = kdt
Dạng tích hợp của phương trình tỷ lệ bậc nhất là:
k = 2.303 / t log C 0 / C
Trong đó C 0 và C là nồng độ tại thời điểm ban đầu (nghĩa là t = 0) và tại bất kỳ thời điểm tiếp theo nào tương ứng. Nếu nồng độ ban đầu của chất phản ứng là 'a' mol L -1 và sau thời gian t, 'x' mol L -1 đã phản ứng để tạo ra sản phẩm, thì nồng độ của chất phản ứng bị bỏ lại tại thời điểm t sẽ là (ax ) nốt ruồi L -1 . Sau đó phương trình tỷ lệ thứ tự đầu tiên có thể được đưa ra là
k = 2.303 / t đăng nhập a / rìu
Trong phản ứng bậc nhất, nửa thời gian của phản ứng được cho bởi:
t½ 0, 693 / k
Ở đây, nửa thời gian độc lập với nồng độ ban đầu của chất nền, t½ được định nghĩa là thời gian trong đó một nửa nồng độ của một chất phản ứng nhất định phản ứng.
Các hằng số tốc độ thứ tự đầu tiên có các chiều của thời gian đối ứng, thường là giây -1
3. Phản ứng bậc hai:
Một phản ứng được cho là theo thứ tự thứ hai nếu tốc độ của nó được xác định bởi sự thay đổi của hai thuật ngữ nồng độ hoặc tốc độ của phản ứng tỷ lệ thuận với sức mạnh thứ hai của nồng độ của một chất.
Nói chung, các phản ứng bậc hai có thể có hai loại.
1. Khi nồng độ của các chất phản ứng là như nhau
A + A -> Sản phẩm
Gọi 'a' là nồng độ ban đầu của từng chất phản ứng để bắt đầu phản ứng và x là lượng của mỗi chất phản ứng bị phân hủy sau thời gian, t.
2A -> Sản phẩm
ao (nồng độ ban đầu)
(ax) x (nồng độ sau thời gian t).
Tốc độ của phản ứng có thể được biểu thị bằng dx
dx / (ax) 2 = k.dt
Khi tích hợp trong giới hạn o đến x tại thời điểm o đến t tương ứng, chúng tôi nhận được
k = 1 / txx / a (rìu)
2. Khi nồng độ của các chất phản ứng là khác nhau, tức là
A + B -> Sản phẩm
abo (nồng độ ban đầu)
(ax) (bx) x (nồng độ sau thời gian t)
Tốc độ phản ứng sẽ được biểu thị bằng dx
dx / dt = k (ax) (bx),
dx / (a - x) (b - x) = k.dt
Khi tích hợp trong giới hạn o đến x tại thời điểm o đến t tương ứng,
k = 2.303 / 1 (a - b) log10 (ax) b / (bx) a
Các hằng số tốc độ của các phản ứng bậc hai có kích thước 1 / nồng độ x thời gian hoặc moL -1 giây -1 .
4. Phản ứng bậc ba:
Một phản ứng được cho là bậc ba nếu tốc độ được xác định bởi sự thay đổi của ba thuật ngữ nồng độ. Nói cách khác, số lượng phân tử tối thiểu cần thiết cho phản ứng diễn ra là ba. Có thể có ba trường hợp khác nhau trong phản ứng thứ ba.
1. Tất cả ba loài có nồng độ bằng nhau
A + A + A bản> P
Hãy xem xét một phản ứng chung liên quan đến ba mol A có nồng độ của mỗi mol là 'a' mỗi lít. Để nồng độ tại thời điểm t trở thành (ax) thì tốc độ phản ứng được đưa ra bởi
dx / dt = k (a - x) 3 dt
Dạng tích hợp của phương trình là
K = 1 / tx (2a - x) / 2a 2 (a - x)
2. Khi nồng độ của hai chất phản ứng không bằng nhau và khác nhau
2A + B -> Sản phẩm
Tốc độ phản ứng được đưa ra bởi. dx / dt = k (a - 2x) 2 (b - x).
Để biết các giá trị của k, tích hợp phương trình trên, chúng ta nhận được
k = 1 / t 1 / (a-2b) 2 [2x (2 ba) / a (a- 2x) + loge (b (a-2x) / a (bx)]
Các hằng số tốc độ của phản ứng bậc ba có kích thước mol -2 L 2 giây - 1.
Nhiệt động lực học:
Nhiệt động lực học là một nhánh của khoa học liên quan đến sự thay đổi năng lượng đi kèm với sự biến đổi vật lý và hóa học. Nó không liên quan đến tổng năng lượng của một cơ thể nhưng với những thay đổi năng lượng đi kèm với một quá trình hoặc biến đổi nhất định. Vì nhiệt động lực học liên quan đến năng lượng, nó có thể áp dụng cho tất cả các hiện tượng trong tự nhiên.
Thuật ngữ của nhiệt động lực học:
1. Hệ thống, ranh giới và môi trường xung quanh:
Một hệ thống nhiệt động có thể được định nghĩa là bất kỳ phần vật chất xác định nào trong vũ trụ đang được nghiên cứu. Một hệ thống có thể bao gồm một hoặc nhiều chất.
Phần còn lại của vũ trụ có thể ở vị trí trao đổi năng lượng và vật chất với hệ thống được gọi là môi trường xung quanh. Do đó, hệ thống được ngăn cách với môi trường xung quanh bởi một ranh giới có thể là thật hoặc ảo.
Hệ thống cách ly:
Một hệ thống có thể trao đổi cả năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh được gọi là hệ thống cô lập.
Hệ thống khép kín:
Một hệ thống có thể trao đổi năng lượng nhưng không quan trọng với môi trường xung quanh được gọi là hệ thống khép kín.
Hệ thống mở:
Một hệ thống có thể trao đổi vật chất cũng như năng lượng với môi trường xung quanh được cho là một hệ thống mở.
Môi trường của các sinh vật sống là vô cùng cần thiết đối với chúng, không chỉ là nguồn năng lượng tự do mà còn là nguồn nguyên liệu thô. Trong ngôn ngữ của nhiệt động lực học, các sinh vật sống là các hệ thống mở vì chúng trao đổi cả năng lượng và vật chất với môi trường của chúng và, bằng cách đó, biến đổi nó. Đó là đặc điểm của các hệ thống mở mà chúng không cân bằng với môi trường của chúng.
Mặc dù các sinh vật sống có thể ở trạng thái cân bằng, bởi vì chúng có thể không thay đổi rõ rệt khi chúng ta quan sát chúng trong một khoảng thời gian, thực ra chúng thường tồn tại ở trạng thái ổn định, đó là một hệ thống mở trong đó tốc độ truyền vật chất và năng lượng từ môi trường vào hệ thống được cân bằng chính xác bởi tốc độ truyền vật chất và năng lượng ra khỏi hệ thống.
Thuộc tính vĩ mô:
Các tính chất liên quan đến một hệ thống vĩ mô (nghĩa là bao gồm số lượng lớn các hạt) được gọi là các thuộc tính vĩ mô. Các tính chất này là áp suất, thể tích, nhiệt độ, thành phần, mật độ, độ nhớt, sức căng bề mặt, chỉ số khúc xạ, màu sắc, v.v.
Hệ thống đồng nhất và không đồng nhất:
Một hệ thống được cho là đồng nhất khi nó hoàn toàn đồng nhất trong suốt, ví dụ như chất rắn nguyên chất hoặc toàn bộ chất lỏng hoặc dung dịch hoặc hỗn hợp khí. Nói cách khác, một hệ thống đồng nhất chỉ bao gồm một pha.
Một pha được định nghĩa là một phần riêng biệt và đồng nhất về mặt vật lý của một hệ thống được giới hạn bởi một bề mặt và có thể tách rời về mặt cơ học với các phần khác của hệ thống.
Một hệ thống được cho là không đồng nhất khi nó không đồng nhất trong suốt. Nói cách khác, một hệ thống không đồng nhất là một hệ thống bao gồm hai hoặc nhiều giai đoạn. Do đó, một hệ thống bao gồm hai hoặc nhiều chất lỏng bất biến, hoặc chất rắn tiếp xúc với chất lỏng không tan, là một hệ không đồng nhất.
Trạng thái của một hệ thống:
Khi các thuộc tính vĩ mô của một hệ thống có các giá trị xác định, hệ thống được cho là ở trạng thái xác định. Bất cứ khi nào có sự thay đổi trong bất kỳ một trong các thuộc tính vĩ mô, hệ thống được cho là thay đổi sang một trạng thái khác. Do đó, trạng thái của một hệ thống được cố định bởi các thuộc tính vĩ mô của nó.
Cân bằng nhiệt động lực học:
Một hệ thống trong đó các tính chất vĩ mô không trải qua bất kỳ thay đổi nào theo thời gian được cho là ở trạng thái cân bằng động lực học, giả sử một hệ thống không đồng nhất, nghĩa là nó bao gồm nhiều hơn một pha. Sau đó, nếu nó ở trạng thái cân bằng, các tính chất vĩ mô trong các pha khác nhau vẫn không thay đổi theo thời gian.
Trong thực tế, thuật ngữ cân bằng nhiệt động lực học ngụ ý sự tồn tại của ba loại cân bằng trong hệ thống. Đó là (i) cân bằng nhiệt (ii) cân bằng cơ học và (iii) cân bằng hóa học.
Một hệ thống được cho là ở trạng thái cân bằng nhiệt nếu không có dòng nhiệt từ phần này sang phần khác. Điều này là có thể nếu nhiệt độ vẫn giữ nguyên trong tất cả các phần của hệ thống.
Một hệ thống được cho là ở trạng thái cân bằng cơ học nếu không có công việc cơ học nào được thực hiện bởi một phần của hệ thống trên một phần khác của hệ thống. Điều này là có thể nếu áp suất vẫn như nhau trong tất cả các phần của hệ thống.
Một hệ thống được cho là ở trạng thái cân bằng hóa học nếu thành phần của các pha khác nhau trong hệ thống vẫn giữ nguyên trong suốt.
Các quy trình và loại của chúng:
Hoạt động mà một hệ thống thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác được gọi là một quá trình. Bất cứ khi nào một hệ thống thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, nó đi kèm với sự thay đổi năng lượng. Trong trường hợp các hệ thống mở, cũng có thể có sự thay đổi về vật chất.
Các loại quy trình sau đây được biết đến:
Quá trình đẳng nhiệt:
Một quá trình được cho là đẳng nhiệt nếu nhiệt độ của hệ thống không đổi trong mỗi giai đoạn của quá trình.
Quá trình nhiệt:
Một quy trình được cho là đáng tin cậy nếu không có nhiệt đi vào hoặc rời khỏi hệ thống trong bất kỳ bước nào của quy trình.
Quy trình Isobaric:
Một quá trình được gọi là đẳng áp nếu áp suất của hệ thống không đổi trong mỗi bước của quy trình.
Quá trình đảo ngược và không thể đảo ngược:
Một quá trình được thực hiện vô cùng chậm chạp để lực truyền động chỉ lớn hơn vô hạn so với lực đối lập, được gọi là quá trình thuận nghịch.
Bất kỳ quá trình nào không diễn ra theo cách trên, nghĩa là một quá trình không diễn ra vô cùng chậm chạp, được cho là một quá trình không thể đảo ngược.
Một quá trình đảo ngược không thể được thực hiện trong thực tế bởi vì nó sẽ đòi hỏi thời gian vô hạn để hoàn thành nó. Do đó, hầu hết tất cả các quá trình xảy ra trong tự nhiên hoặc phòng thí nghiệm là không thể đảo ngược. Một quá trình đảo ngược, do đó, vẫn còn là tưởng tượng và lý thuyết.
Định luật nhiệt động lực học đầu tiên:
Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học nói rằng năng lượng không thể được tạo ra hoặc phá hủy, mặc dù nó có thể được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Đây còn được gọi là định luật bảo toàn năng lượng. Nói cách khác, từ phương trình £ = mc. 2 (trong đó E = năng lượng, m = khối lượng và c = vận tốc ánh sáng) định luật có thể được quy định là Hồi, tổng khối lượng và năng lượng của một hệ cô lập vẫn không thay đổi.
Năng lượng nội bộ U:
Mỗi chất có liên quan đến một lượng năng lượng xác định phụ thuộc vào bản chất hóa học cũng như nhiệt độ, áp suất và thể tích của nó. Năng lượng này được gọi là năng lượng bên trong. Năng lượng bên trong của một chất hoặc một hệ thống là một đại lượng xác định và nó chỉ là một chức năng của trạng thái (nghĩa là bản chất hóa học, thành phần, nhiệt độ, áp suất và thể tích) của hệ thống tại thời điểm nhất định, bất kể cách thức nhà nước đã được đưa về. Giá trị thực tế của năng lượng bên trong không thể được xác định nhưng sự thay đổi năng lượng bên trong đi kèm với quá trình hóa học hoặc vật lý là một đại lượng có thể đo lường được.
Enthalpy (Nội dung nhiệt) của một hệ thống:
Giả sử sự thay đổi trạng thái của một hệ thống được đưa ra ở áp suất không đổi. Trong trường hợp đó, sẽ có một sự thay đổi âm lượng. Để âm lượng tăng từ V A đến V B ở áp suất không đổi P. Sau đó, công việc được thực hiện (W) của hệ thống sẽ được đưa ra bởi
W = -P (V B -V A )
Thay thế điều này trong phương trình ∆U = q + w, chúng ta có
∆U = q + {-p (V B -V A )}
U B -U A = qP (V B -V A )
Hoặc (U B + PV B ) - (U A + PV A ) = q (1)
Số lượng U + PV được gọi là entanpy của một hệ thống và được ký hiệu là H. Nó đại diện cho tổng năng lượng được lưu trữ trong một hệ thống. Như vậy
H = U + PV
Vì, U là một thuộc tính xác định và P và V cũng là các thuộc tính xác định xác định trạng thái của một hệ thống, do đó H cũng là một thuộc tính xác định tùy thuộc vào trạng thái của một hệ thống.
Từ phương trình (1), ta có
H B -H A = ∆H = q (2)
Vì H R và H A là các thuộc tính xác định, nên rõ ràng ∆H, như ∆4, là một thuộc tính xác định chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và cuối cùng của một hệ thống. Rõ ràng, ∆H đại diện cho sự gia tăng entanpy của một hệ thống khi nó thay đổi từ trạng thái A sang trạng thái B. Do đó nhiệt hấp thụ (q) ở áp suất không đổi, cũng là một đại lượng xác định.
Hơn nữa, nó xuất phát từ phương trình (1), rằng
(U B -U A ) + P (V B -V A ) = q
Kết hợp giá trị q trên trong phương trình (2), chúng ta có
∆H = (U B -U A ) + P (V B -V A )
∆H = ∆U + P∆Y
Trong đó ∆V là sự tăng âm lượng của hệ thống.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học:
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói rằng, bất cứ khi nào một quá trình tự phát diễn ra, nó đi kèm với sự gia tăng tổng năng lượng của vũ trụ.
Cụ thể hơn, thuật ngữ vũ trụ có nghĩa là hệ thống và xung quanh, do đó
UnS univ = S system + ∆S bao quanh
Định luật thứ hai như đã nêu ở trên cho chúng ta biết rằng khi một quá trình tự phát không thể đảo ngược xảy ra, thì entropy của hệ thống và môi trường xung quanh tăng lên. Nói cách khác, AS univ > O (zero), khi quá trình thuận nghịch xảy ra, entropy của hệ thống không đổi AS surr . = O. Vì toàn bộ vũ trụ đang trải qua sự thay đổi tự phát, nên luật thứ hai không thể được nói một cách tổng quát và chính xác nhất vì entropy của hệ thống không ngừng tăng lên.
Khái niệm về Entropy:
Entropy (S) là một biểu thức định lượng cho tính ngẫu nhiên hoặc rối loạn trong một hệ thống. Khi các sản phẩm của một phản ứng ít phức tạp hơn và rối loạn hơn các chất phản ứng, phản ứng được cho là tiến hành với mức tăng của entropy.
Entropy của một hệ thống là một đại lượng vật lý thực sự và là một hàm xác định trạng thái của cơ thể như áp suất, thể tích, nhiệt độ hoặc năng lượng bên trong. Thật khó để xác định entropy thực tế của một hệ thống. Sẽ thuận tiện hơn khi xác định sự thay đổi của entropy trong quá trình thay đổi trạng thái.
Do đó, thay đổi entropy của một hệ thống có thể được định nghĩa là tổng của tất cả các thuật ngữ liên quan đến nhiệt trao đổi (q) chia cho nhiệt độ tuyệt đối (T) trong mỗi thay đổi nhỏ vô cùng của quá trình được thực hiện theo chiều ngược lại. Do đó, sự thay đổi entropy cho sự thay đổi hữu hạn trạng thái của một hệ thống ở nhiệt độ không đổi được đưa ra bởi
∆S = q rev / T
Giá trị ∆S, là một đại lượng xác định và chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ thống. Nó độc lập với con đường hoặc cách thức mà sự thay đổi đã được mang lại. Giá trị sẽ giữ nguyên ngay cả khi thay đổi từ trạng thái ban đầu sang trạng thái cuối cùng đã được đưa về đảo ngược hoặc không thể đảo ngược.
Đơn vị của entropy:
Vì sự thay đổi entropy được biểu thị bằng một thuật ngữ nhiệt chia cho nhiệt độ tuyệt đối, entropy được biểu thị bằng lượng calo trên mỗi độ, tức là cal deg -1 . Điều này được gọi là đơn vị entropy, eu Trong các đơn vị SI, entropy được biểu thị bằng joules trên mỗi độ Kelvin (JK -1 ).
(I) Thay đổi Entropy trong việc mở rộng đẳng nhiệt của một loại khí lý tưởng:
Trong sự giãn nở đẳng nhiệt của một loại khí lý tưởng được thực hiện theo chiều ngược lại, sẽ không có sự thay đổi năng lượng bên trong, tức là AU = 0 và do đó từ phương trình định luật thứ nhất (viz, ∆U = q + w)
q rev = - w
Trong trường hợp như vậy, công việc thực hiện trong việc mở rộng n mol khí từ thể tích V 1 đến V 2, ở nhiệt độ không đổi T, được đưa ra bởi
-w = nRT Trong (V 2 / V 1 )
∆S = R In (V 2 / V 1 )
(II) Entropy thay đổi trong Reversible (Quá trình tự phát):
Tổng mức tăng entropy của hệ thống và môi trường xung quanh trong quá trình mở rộng tự phát liên quan đến một mol khí sẽ là
NHƯ = R Trong (V 2 / V 1 )
Vì V 2 > V 1, rõ ràng là sự giãn nở đẳng nhiệt tự phát (không thể đảo ngược) của khí đi kèm với sự gia tăng entropy của hệ thống và môi trường xung quanh được xem xét cùng nhau. Do đó, chúng tôi có thể kết luận rằng:
Một quá trình nhiệt động không thể đảo ngược luôn đi kèm với sự gia tăng entropy của hệ thống và môi trường xung quanh được thực hiện cùng nhau. Thay đổi Entropy trong quá trình không thể đảo ngược (tự phát) bằng không, tức là ∆S = O. Hay nói cách khác, trong một quá trình thuận nghịch về nhiệt động lực học, entropy của hệ thống và môi trường xung quanh được thực hiện cùng nhau vẫn không thay đổi.
Vì tất cả quá trình trong tự nhiên xảy ra một cách tự nhiên, tức là không thể đảo ngược, theo đó, entropy của vũ trụ đang tăng liên tục. Đây là một tuyên bố khác của luật thứ hai.
Ý nghĩa vật lý của Entropy:
1. Các quá trình tự phát đi kèm với sự gia tăng entropy cũng như sự rối loạn của hệ thống. Do đó, entropy được coi là thước đo sự rối loạn của một hệ thống.
2. Một sự thay đổi tự phát luôn luôn diễn ra từ trạng thái ít có khả năng hơn sang trạng thái có thể xảy ra hơn, do đó xác suất entropy và nhiệt động lực học có liên quan chặt chẽ với nhau.
Định luật thứ ba nhiệt động lực học:
Theo định luật này, ở mức 0 tuyệt đối, entropy của một chất kết tinh hoàn hảo được lấy bằng không. Nó có nghĩa là tại số không Kelvin có ít trật tự hoặc trật tự hoàn hảo.
Năng lượng miễn phí của Gibb hoặc Chức năng của Gibb (G):
Năng lượng tự do của Gibb (G) thể hiện lượng năng lượng có khả năng thực hiện công việc trong một phản ứng ở nhiệt độ và áp suất không đổi. Khi một phản ứng tiến hành giải phóng năng lượng tự do (tức là khi hệ thống thay đổi để sở hữu ít năng lượng tự do hơn), sự thay đổi năng lượng tự do (AG), có dấu hiệu tiêu cực và phản ứng được cho là ngoại sinh. Trong các phản ứng nội sinh, hệ thống thu được năng lượng tự do và AG là dương.
Trong các điều kiện hiện có trong các hệ thống sinh học (ở nhiệt độ và áp suất không đổi), sự thay đổi năng lượng tự do, entanpy và entropy có liên quan với nhau về mặt định lượng theo phương trình.
G = ∆HT∆S
Trong đó AG = ( sản phẩm G chất phản ứng G)
= thay đổi năng lượng tự do Gibbs của hệ thống phản ứng.
H = sự thay đổi entanpy của hệ thống.
T = nhiệt độ tuyệt đối.
S = sự thay đổi entropy của hệ thống phản ứng.
Theo quy ước, AS có dấu dương khi entropy tăng và ∆H có dấu âm khi hệ thống tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Một trong những điều kiện này, điển hình của các quá trình thuận lợi, sẽ có xu hướng làm cho ∆G âm tính. Trong thực tế, ∆G của một hệ thống phản ứng tự phát luôn luôn âm.
Các tế bào yêu cầu các nguồn năng lượng miễn phí:
Các sinh vật sống không thể tiêu thụ hoặc sử dụng hết năng lượng; họ chỉ có thể biến đổi một dạng năng lượng thành một dạng năng lượng khác. Chúng hấp thụ từ môi trường của chúng một dạng năng lượng hữu ích cho chúng trong các điều kiện đặc biệt của nhiệt độ và áp suất mà chúng sống và sau đó trở lại môi trường một lượng năng lượng tương đương ở một dạng khác, ít hữu ích hơn.
Dạng năng lượng hữu ích mà các tế bào sử dụng được gọi là năng lượng tự do được mô tả bởi hàm năng lượng tự do Gibbs G, cho phép dự đoán hướng của các phản ứng hóa học, vị trí cân bằng chính xác của chúng và lượng công việc chúng có thể thực hiện ở nhiệt độ không đổi và sức ép. Do đó, tế bào sống là một hệ thống mở không cân bằng; một cỗ máy trích xuất năng lượng tự do từ môi trường, điều này gây ra sự gia tăng ngẫu nhiên.
Tế bào sống về cơ bản cũng là đẳng nhiệt tại bất kỳ thời điểm nào, tất cả các bộ phận của tế bào đều có cùng nhiệt độ. Hơn nữa, không có sự khác biệt đáng kể về áp suất giữa một phần của tế bào và phần khác.
Vì những lý do này, các tế bào không thể sử dụng nhiệt làm nguồn năng lượng, vì nhiệt chỉ có thể hoạt động ở áp suất không đổi chỉ khi nó truyền từ vùng có nhiệt độ cao hơn sang vùng có nhiệt độ thấp hơn. Các tế bào sống do đó hoạt động như các động cơ hóa học đẳng nhiệt.
Năng lượng mà các tế bào hấp thụ từ môi trường của chúng được chuyển thành năng lượng hóa học, sau đó được sử dụng để thực hiện công việc hóa học liên quan đến sinh tổng hợp các thành phần tế bào, công việc thẩm thấu cần thiết để vận chuyển vật liệu vào tế bào và công việc cơ học của sự co lại và đầu máy, vv Các tế bào dị dưỡng thu được năng lượng tự do từ các phân tử dinh dưỡng và các tế bào quang hợp thu nhận nó từ bức xạ mặt trời hấp thụ.
Thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn có liên quan trực tiếp đến hằng số cân bằng:
Thành phần của một hệ thống phản ứng là hỗn hợp các chất phản ứng hóa học và các sản phẩm sẽ có xu hướng tiếp tục thay đổi cho đến khi cân bằng được thiết lập. Ở nồng độ cân bằng của chất phản ứng và sản phẩm, tốc độ của phản ứng thuận và nghịch hoàn toàn bằng nhau và không có thay đổi nào nữa xảy ra trong hệ thống. Nồng độ các chất phản ứng và sản phẩm ở trạng thái cân bằng xác định hằng số cân bằng. Trong phản ứng chung
aA + bB cC + dD
Trong đó a, b, c và d là số phân tử của A, B, C và D tham gia, hằng số cân bằng được cho bởi
Keq = [C] c [D] d / [A] a [B] b
Trong đó [A], [B], [C] và [D] là nồng độ mol của các thành phần phản ứng tại điểm cân bằng; và Keq được gọi là hằng số cân bằng.
Khi một hệ thống phản ứng không ở trạng thái cân bằng, xu hướng di chuyển về trạng thái cân bằng đại diện cho lực truyền động, cường độ có thể được biểu thị bằng sự thay đổi năng lượng tự do cho phản ứng, ∆G.
Trong điều kiện tiêu chuẩn (25 ° C, áp suất 1 atm) khi các chất phản ứng và sản phẩm ban đầu có mặt ở nồng độ 1M hoặc, đối với các khí ở áp suất riêng phần 101, 3 K Pa, lực đẩy hệ thống về trạng thái cân bằng được định nghĩa là năng lượng tự do tiêu chuẩn, ∆G o .
∆G o = ∆H o - T∆S o
Mối quan hệ giữa Keq và ∆G o được đưa ra bởi
∆G ° = -RTInK 'eq.
