Keemia aluste alused

Keemiliste reaktsioonide kvantitatiivseks kirjeldamiseks kolm teadust: stöhhiomeetria kineetika (keemiline) termodünaamika NB! Internet – guugeldage!!!! Inglisekeelne Wikipedia

Stöhhiomeetria Toetub arusaamisele, et keemiliste reaktsioonide toimumisel põrkuvad molekulid, katkevad ja tekivad sidemed – muutuvad molekulide struktuurid. Molekulid põrkuvad ja reageerivad kindlates suhetes – üks ühele, kaks ühele jne Stöhhiomeeetria alusseaduseks on elementide jäävuse seadus: aatomid ei teki ega kao keemiliste reaktsioonide käigus, katkevad ja tekivad vaid sidemed nende vahel 2H2 + O2 = 2H2O C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O

Aatommass, molekulmass – aatomite, molekulide mass aatommassi ühikutes (amü) 1 amü = 1.66053886 × 10-27 kilogrammi = 1.66053886 x 10-24 grammi 1 amü on 1/12 süsiniku isotoobi 12C aatomi massist Aatommass (molekulmass) on ligikaudu (isotoobid) võrdne nuklonite (prootonid, neutronid) arvuga aatomites, molekulides Molaarmass – ühe mooli aine mass grammides Molaarmass on arvuliselt võrdne aatommassi, molekulmassiga Mool – 1 mool ainet sisaldab Avogadro arvu aatomeid või molekule Avogadro arv NA = 6.02214179(30) × 1023 mool-1

Teadus keemiliste reaktsioonide kiirustest Kineetika Teadus keemiliste reaktsioonide kiirustest Keemiliste reaktsioonide kiirusi mõõdetakse ainete kontsentratsioonide muutumise kiirustena – mool L-1 t-1 Keemilise kineetika alusseaduseks on massitoime seadus: keemiliste reaktsioonide kiirused on võrdelised reaktsioonis osalevate molekulide kontsentratsioonidega A B da/dt = - k1 a A + B C dc/dt = k2 ab 2A + B C dc/dt = k3 a2b Kus k1, k2 ja k3 on esimest, teist ja kolmandat järku kiiruskonstandid, a, b, c on ainete A, B ja C kontsentratsioonid

Monomolekulaarsete reaktsioonide kineetika kirjeldamine: A B kus a – aine A kontsentratsioon, t – aeg, k – (esimest järku) kiiruskonstant dimensiooniga [k] = [t] -1 , kui kui a = ½ a0 siis ½ a0 = a0 e -k tp tp = ln 2 / k tp – pooldumisaeg

Substraadi (A) ja produkti (B) kontsentratsiooni muutumine reaktsiooni A B käigus Produkt B Substraat A

Poolestusaeg

Katalüütilised reaktsioonid Ensümaatilised reaktsioonid – Michaelis-Menten´i kineetika http://en.wikipedia.org/wiki/Michaelis%E2%80%93Menten_kinetics

Lineweaver-Burk´i transformatsioon http://en.wikipedia.org/wiki/Lineweaver%E2%80%93Burk_plot

Kineetika Rakkude kasvu, biomassi kasvu kirjeldab eksponentsiaalne funktsioon (eksponentsiaalse funktsiooni juurdekasv on proportsionaalne funktsiooni väärtusega): kus X – biomass, NB! mitte biomassi kontsentratsioon, t – aeg, µ - biomassi kasvu (eri)kiirus , kui kui siis , td – pooldumisaeg (kahekordistumisaeg – võrdle pooldumisaeg füüsikas ja keemias)

Termodünaamika – teadus keemiliste reaktsioonide energeetikast ja tasakaalust http://www-teach.ch.cam.ac.uk/teach/IA/EE_student.pdf

Vaba energia, Gibbs´i energia on keemilise termodünaamika kõige tähtsam olekufunktsioon, bioenergeetika alus

Olekufunktsioonid: p, V, T, U, H, S, G,… Vaba energia, Gibbs´i vaba energia: Vaba energia on osa süsteemi siseenergiast U. Vaba energia muut ΔG näitab, kuhu suunas reaktsioonid kulgevad spontaanselt, kui vaba energia muut on null, siis on protsess (reaktsioon) tasakaalus. Vaba energia muut näitab, kui palju on maksimaalselt võimalik teha NB! mittemehhaanilist tööd antud protsessis. Olekufunktsioonid: p, V, T, U, H, S, G,…

Vaba energia ja mittemehaaniline töö vt. Ka selle raamatu leiab biofüüsika materjalide hulgast www.biotech.ttu.ee

kus Asendades termodünaamika I. seadusesse on mittemehaaniline töö – elektrokeemiline, keemiline, elektriline jne, saame vabaenergia avaldisest järgmise tähtsa avaldise:

G = H – TS = U + pV + TS ΔG = ΔH – TΔS, kui T=const Vaba energia definitsioon: G = H – TS = U + pV + TS ΔG = ΔH – TΔS, kui T=const Arvestades, et

dG = dU + pdV + Vdp – TdS - Sdt Vaba energia G definitsioon: G = H – TS = U + pV - TS dG = dU + pdV + Vdp – TdS - Sdt Asendades termodünaamika I. seadusest dU = δQ - pdV saame: dG = Vdp - SdT , kus p ja T ei ole konstantsed Oletades, et T on konstantne, saame dG = Vdp (= Vdc)

Kui me vaatleme ideaalseid lahuseid, siis võime rõhu asendada kontsentratsiooniga.

Saime: Arvestades ideaalse gaasi võrrandiga

Reaktsioon

Tasakaalus Siis:

ΔG A B Reaktsiooni koordinaat

, kus p=const Oletades, et p ja T on konstantsed, saame Kui me vaatleme ideaalseid lahuseid, siis võime rõhu asendada kontsentratsiooniga. Oletades, et p ja T on konstantsed, saame , kus p=const ( ) Siit saame arvutada (mittemehaanilise) keemilise töö:

Standardolekute definitsioonid: gaasiliste ainete standardolekuks on olek 1 atmosfäärilisel rõhul vedelike või tahkete ainete standardolekuks on nende puhtad vedelikud või tahked ained lahustunud aine standardolekuks on 1M kontsentratsioon Elemendi standardolekuks on olek (vorm), mis eksisteerib 1 atmosfäärilisel rõhul ja 25°C juures. CHNOPS Hapniku, lämmastiku, vesiniku standardolekuks on gaaside olekud. Süsiniku standardolekuks on grafiit, fosfori standardolekuks on valge kristalne olek, väävlil rombiline kristalne olek

Õpetlikud ülesanded Nagu teada on vesi ja jää tasakaalus 0oC juures. Arvutage vee sulamisprotsessi (jää->vesi) entroopia muut (ΔS0), kui on teada, et selle protsessi ΔH0=6000 kJ mool-1 . Tõestage, et T>273 K jää sulab ja T<273 K vesi jäätub. Kui palju teeb tööd inimene, kui ta tõuseb neljandale korrusele 12 m kõrgusele? Mitu molekuli ATPd ta kulutab, kui on teada, et tema lihased töötavad 30% kasuteguriga? ATP hüdrolüüsil vabaneb ΔG°= - 7,3 kcal/mooli (-30,5 kJ/mool) energiat. Mitu grammi glükoosi peab inimene sööma, et kompenseerida seda energiakulu (glükoosi täieliku oksüdeerimise ΔG°= - 686 kcal/mooli)?

Õpetlik ülesanne Kui on teada, et ΔGfA= ΔG0fA + RT ln a, kus a on aine A kontsentratsioon (mis erineb standardse oleku 1 M-sest) ja ΔGfB= ΔG0fB + RT ln b, b on aine B kontsentratsioon, siis missugune on reaktsiooni A B tasakaaluoleku tingimus? Arvutage A ja B tasakaalulised kontsentratsioonid järgmiste juhtude jaoks (R= R=8,314 J K-1 mool-1, T=300 K, algolekus on aine A kontsentratsioon 1 M, aine B kontsentratsioon 0): ΔG0fA = - 567,7 kJ mool-1, ΔG0fB = - 567,7 kJ mool-1 ΔG0fA = - 567,7 kJ mool-1, ΔG0fB = - 565,2 kJ mool-1 ΔG0fA = - 567,7 kJ mool-1, ΔG0fB = - 570,2 kJ mool-1 ΔG0fA = - 567,7 kJ mool-1, ΔG0fB = - 542,7 kJ mool-1 ΔG0fA = - 567,7 kJ mool-1, ΔG0fB = - 592,7 kJ mool-1 ΔG0fA = - 567,7 kJ mool-1, ΔG0fB = - 817,7 kJ mool-1 ΔG0fA = - 567,7 kJ mool-1, ΔG0fB = - 417,7 kJ mool-1

Õpetlik ülesanne Reaktsiooni 3-fosfoglütseraat <=> 2-fosfoglütseraat K° = 0,165. Kuidas on võimalik glükolüüs, kus 3-fosfoglütseraat => 2-fosfoglütseraat? Kontrollige, kas glükolüüs toimub erütrotsüütides, kus 3-fosfoglütseraadi kontsentratsioon on 61,2 μM ja 2-fosfoglütseraadi kontsentratsioon 4,3 μM.