Главными направлениями современной науки считаются термодинамика и кинетика химических реакций, которые помогают ученым теоретически объяснить скорость и эффективность протекания реакций. В соответствии с господствующей гипотезой «соударения», указанные параметры непосредственно зависят от концентрации реагирующих частиц и кинетической энергии нестабильного движения молекул веществ.
Рисунок 1. Термодинамика и кинетика фазовых переходов в НДС. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Однако высокая эффективность и скорость многих химических реакций имеет место и при достаточно низких концентрациях и пониженной температуре. В таком случае весь процесс обеспечивается обязательным наличием в реакционной среде катализатора - устройства, которое ускоряет действие элементов, но не входит в основной состав ее конечных продуктов.
При этом тесное и зачастую хаотичное взаимодействие реагирующих элементов с катализаторами не всегда имеет химическую природу. Эффективность данных процессов в живых организмах ограничена крайне низкими температурами, помогающие связать систему низкими концентрациями действующих частиц, что помогает сохранить белковую структуру. Все клеточные реакции в этом аспекте будут являться каталитическими.
Роль ключевых катализаторов большинства химических процессов в живых клетках играют белки в виде ферментов.
Базой стабильного механизма работы многих белковых элементов выступает соответствие пространственной структуры реагирующих тел и его личного пространства по принципу «ключа» или же «замочной скважины». Как правило, все ферменты считаются высокоспецифичными, следовательно, могут обеспечивать максимум две однотипные реакции.
Все химические реакции в термодинамике делятся на два типа:
- Обратимые – не расходуют полностью энергию реагирующих элементов, так как эти процессы протекают в обратном и прямом направлении.
- Необратимые - протекают только в одном направлении, в результате чего образование продуктов исследуемой реакции происходит до полного расходования хотя бы одного из действующих химических веществ.
Химическая термодинамика и кинетика
Рисунок 2. Химическая кинетика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Химическая термодинамика – это раздел химии, рассматривающий взаимосвязи между функционалом системы и энергией, которые возможно применить только к химическим превращениям.
Взаимообмен внутренней энергией между активной системой и внешней средой тщательно и понятно описывают термодинамические законы. Использование принципов и постулатов термодинамики в химии позволяет исследователям решить важный вопрос о принципиальной вероятности различных химических процессов, конкретных условиях их появления, а также определить степень трансформации реагирующих веществ в процессах и оценить их дальнейшую энергетику.
Механическая и тепловая энергия — алгебраические постоянные величины, которые в термодинамике обозначаются знаками $Q$ и $А$.
Термодинамические законы рассматриваются по отношению к системе, которая поглощает энергию химических веществ. Получаемый концепцией энергетический потенциал обозначается знаком «+», отданный системой — знаком «—».
Переменные параметры который определяют состояние системы, называются величинами состояния. Среди них в науке наиболее часто применяются:
- температура рабочего тела;
- давление окружающей среды;
- объем и состав активной концепции.
Состояние системы и происходящие в ней изменения возможно охарактеризовать посредством основных функций состояния, напрямую зависящих от показателей химического элемента и от пути перехода изучаемого предмета из одного состояния в другое. К ним ученые относят внутреннюю энергию, энтропию энтальпию и изобарно-изотермический потенциал.
Протекающие при постоянном давлении явления называются изобарными, процессы, действующие при постоянном объеме — изохорные, при неизменной температуре — изотермические.
Большинство экспериментов в химии проводится в открытых сосудах, то есть при постоянном, атмосферном давлении. Химическая кинетика исследует и описывает ключевые характеристики физического процесса, как скорость будущей реакции и прямая зависимость ее от внешних факторов.
Для удобства расчетов скорость химических процессов определяют по изменению концентрации действующих веществ за единицу времени. Для точного определения скорости реакции достаточно определить уровень концентрации в пространстве только одного из участвующих в системе элементов, причем абсолютно не важно какого - исходного или конечного.
В термохимических формулах все тепловые эффекты реакций записываются в расчете на 1 моль конечного или начального вещества. Поэтому здесь возможно допущение дробных коэффициентов. При химических процессах возникает диалектический закон борьбы противоположностей и единства системы. С одной стороны, любая концепция стремится к упорядочению – уменьшению переменной Н, а с другой стороны – к хаосу и беспорядку. Первая тенденция автоматически увеличивается с понижением температуры, а вторая – с ее постепенным повышением. Тенденцию к беспорядочному движению характеризует химическая величина, названная энтропией $S$ [Дж/(моль. К)].
Кинетика биологических процессов
Рисунок 3. Кинетика биологических процессов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Базой для процессов обмена клетки с окружающей средой и внутреннего метаболизма служит достаточно сложная сеть организованных конкретным образом в пространстве и времени разных реакций. В итоге действия этих процессов кардинально изменяются концентрации активных веществ, количество отдельных клеток, биомасса живых организмов. Также могут трансформироваться и другие величины такие, как трансмембранный потенциал в клетке.
Изменения всех указанных переменных величин во времени и составляют основу кинетики биологических явлений. Таким образом: данная научная сфера исследует закономерности протекания биохимических процессов во времени, их механизмы вероятных превращений в зависимости от разных факторов (концентрации реагирующих веществ, температуры, давления, Рн среды и так далее).
Все существующие гомогенные элементарные реакции различают на сегодняшний день по числу активных молекул, участвующих в начальном акте химического взаимодействия. По этому признаку реакции в химии принято подразделять на бимолекулярные, мономолекулярные и тримолекулярные.
Порядок процесса по данному веществу — главный показатель степени при концентрации в кинетическом уравнении реакции.
Скорость реакции и эффективность нулевого порядка всегда постоянна во времени и не зависит от действия реагирующих веществ. Этот критерий характерен для гетерогенных устройств в том случае, если общая скорость диффузии химических реагентов меньше скорости их превращения к поверхности раздела фаз.
Значение термодинамики и кинетики в науке
Кинетика и термодинамика различных видов химических реакций уже давно легли в основу таких направлений современной науки, как самоуправляемые химические сложные реакции и химическая эволюция.
Создавая полноценный комплекс определенных физических условий, источников катализаторов и тепловой энергии, возможно добиться того, что смесь простых элементов приведет к разработке важного продукта с помощью последовательности неконтролируемых человеком реакций с возникновением промежуточных соединений.
Таким образом, в непостоянных условиях ультрафиолетового облучения электрических химических разрядов, из смеси аммиака, водорода, окиси углерода, метана, углекислого газа, и минимальных количеств кислорода, ученые смогли получить самопроизвольный синтез сахаров, аминокислот и азотистых оснований. Например - предшественники хлорофилл и ферментов растений. Все это в принципе доказывает вероятность возникновения более сложных органических соединений из простых химических веществ посредством самопроизвольной эволюции в химии.
