Основы биофизической и коллоидной химии

УДК [577.3+544.7](075.8) 
ББК 28.071я73+24.6я73 
        О-75 

А в т о р ы: Е.В. Барковский, С.В. Ткачев, Л.И. Пансевич, Т.В. Ла- 
тушко, О.П. Болбас 

Р е ц е н з е н т ы: кафедра химии Белорусского государственного педагогического университета имени Максима Танка (заведующий кафедрой кандидат химических наук, доцент Т.Т. Лахвич); заведующий кафедрой общей и 
биоорганической химии Гомельского государственного медицинского университета кандидат химических наук, доцент А.В.  Лысенкова 

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 
любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-985-06-1620-3                  © Издательство «Вышэйшая школа», 2009 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Методы биофизической и коллоидной химии 
широко входят в практику научно-исследовательских лабораторий и являются фундаментальной 
основой для разработки новых методов диагностики и лечения в клинике. Знание этих дисциплин – необходимый элемент общебиологического 
образования, а их изучение помогает формированию научного мышления современного врача. 
Настоящее пособие по биофизической и коллоидной химии предназначено для студентов медицинских университетов. Оно соответствует типовым программам по общей химии для студентов медицинских университетов, утвержденным 
Министерством здравоохранения Республики Беларусь.  
Цель этого пособия – дать студентам-медикам 
знания по физической и коллоидной химии, необходимые для понимания тех физико-химических 
аспектов физиологических и патологических 
процессов, с которыми они столкнутся в своей 
дальнейшей работе. 
Каждая тема начинается с изложения теоретического материала, причем в ряде случаев мы 
шли на сознательное упрощение изложения.  
В конце темы приводится перечень основных вопросов. 
В пособие включены экспериментальные работы по всем основным разделам курса физической и коллоидной химии: термохимии, кинетики 
химических реакций, электрохимии, поверхност- 
ным явлениям и адсорбции, свойствам коллоидных растворов, растворов высокомолекулярных 
соединений и т.д. Мы стремились предложить совокупность таких работ, выполнение которых 
было бы доступно и полезно для современного 
студента-медика.  

Ход каждой экспериментальной работы описан так, что студент может выполнить ее самостоятельно. Большую помощь в освоении курса 
окажут задания для самостоятельной работы (тестовый самоконтроль, задачи), а для облегчения 
понимания студентами излагаемого материала 
приводятся решения типовых задач. 
Следует отметить, что в пособии рассматривается лишь принципиальная сущность соответ- 
ствующих положений, в связи с чем его название, 
а также названия отдельных глав начинаются словом Основы. 
Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам за ценные замечания и предложения, 
учтенные при подготовке учебного пособия к  
изданию. 
Авторы 
 

ЧАСТЬ I  БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 
 

Глава 1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ  
ТЕРМОДИНАМИКИ 

Термодинамика представляет собой раздел физической 
химии, изучающий любые макроскопические системы, изменения состояния которых связаны с передачей энергии в форме теплоты и работы. 
Химическая термодинамика является теоретической  
основой биоэнергетики – науки о превращениях энергии в живых организмах и специфических особенностях превращения 
одних видов энергии в другие в процессе жизнедеятельности.  
В живом организме существует тесная взаимосвязь процессов обмена веществ и энергии. Обмен веществ является 
источником энергии всех жизненных процессов. Осуществление любых физиологических функций (движение, поддержание постоянства температуры тела, выделение пищеварительных соков, синтез в организме различных сложных веществ из 
более простых и т.п.) требует затраты энергии. Источником 
всех видов энергии в организме являются питательные вещества (белки, жиры, углеводы), потенциальная химическая 
энергия которых в процессе обмена веществ превращается в 
другие виды энергии. Основным путем освобождения химической энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности организма и осуществления физиологических функций, 
являются окислительные процессы. 
Химическая термодинамика позволяет установить связь 
между энергетическими затратами при выполнении человеком 
определенной работы и калорийностью питательных веществ, 
дает возможность понять энергетическую сущность биосинтетических процессов, протекающих за счет энергии, высвобождаемой при окислении питательных веществ. 
Знание стандартных термодинамических величин относительно небольшого числа соединений позволяет производить 
термохимические расчеты для энергетической характеристики 
различных биохимических процессов.  

Применение термодинамических методов дает возможность количественно оценить энергетику структурных превращений белков, нуклеиновых кислот, липидов и биологических мембран. 
В практической деятельности врача термодинамические 
методы наиболее широко используются для определения интенсивности основного обмена при различных физиологических и патологических состояниях организма, а также для определения калорийности пищевых продуктов. 

Задачи химической термодинамики 

1. Определение энергетических эффектов химических и физико-химических процессов. 
2. Установление критериев самопроизвольного протекания 
химических и физико-химических  процессов. 
3. Установление критериев равновесного состояния термодинамических систем. 

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Термодинамическая система. Тело или группу тел, отделенных от окружающей среды реальной или воображаемой 
поверхностью раздела, называют термодинамической системой. 
В зависимости от способности системы обмениваться с  
окружающей средой энергией и веществом различают изолированные, закрытые и открытые системы. 
Изолированной называют систему, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. 
Систему, которая обменивается с окружающей средой 
энергией и не обменивается веществом, называют закрытой. 
Открытой системой называют систему, обменивающуюся 
с окружающей средой и веществом, и энергией. 
Состояние системы, стандартное состояние. Состояние 
системы определяется совокупностью ее физических и химических свойств. Каждое состояние характеризуется определенными величинами этих свойств. Если свойства изменяются, то изменяется и состояние системы, если же свойства системы не изменяются со временем, то система находится в состоянии равновесия. 

Для сравнения свойств термодинамических систем необходимо точно указать их состояние. С этой целью введено понятие – стандартное состояние, за которое для индивидуальной жидкости или твердого тела принимается такое физическое состояние, в котором они существуют при давлении в  
1 атм (101315 Па) и 298 К. 
Для газов и паров стандартное состояние отвечает гипотетическому состоянию, в котором газ при давлении в 1 атм 
подчиняется законам идеальных газов, при данной температуре. 
Величины, относящиеся к стандартному состоянию, пишутся с индексом «0» вверху, а нижний индекс указывает 
температуру, чаще всего это 298 К. 
Уравнение состояния. Уравнение, устанавливающее функциональную зависимость между величинами свойств, определяющих состояние системы, называют уравнением состояния. 
Если известно уравнение состояния системы, то для описания ее состояния не обязательно знать численные значения 
всех свойств системы. Так, например, уравнение Клапейрона – 
Менделеева является уравнением состояния идеального газа: 

рV = nRT, 

где р – давление; V – объем; n – число молей идеального газа; 
R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура идеального газа.  
Из уравнения следует, что для определения состояния идеального газа достаточно знать численные значения любых 
трех из четырех величин р, V, n, T. 
Функции состояния. Свойства, величины которых при 
переходе системы из одного состояния в другое зависят только от начального и конечного состояний системы и не зависят 
от пути перехода, получили название функций состояния.  
К ним относятся, например, давление, объем, температура 
системы. 
Процессы. Переход системы из одного состояния в другое 
называют процессом. В зависимости от условий протекания 
различают следующие виды процессов. 
Круговой, или циклический, – процесс, в результате протекания которого система возвращается в исходное состояние. 
По завершении кругового процесса изменения любой функции состояния системы равны нулю. 

Изотермический – процесс, протекающий при постоянной 
температуре. 
Изобарный – процесс, протекающий при постоянном давлении. 
Изохорный – процесс, при котором объем системы остается постоянным. 
Адиабатический – процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой. 
Равновесный – процесс, рассматриваемый как непрерывный ряд равновесных состояний системы. 
Неравновесный – процесс, при котором система проходит 
через неравновесные состояния. 
Обратимый термодинамический процесс – процесс,  
после которого система и взаимодействующие с ней системы 
(окружающая среда) могут возвратиться в начальное состояние. 
Необратимый термодинамический процесс – процесс, 
после которого система и взаимодействующие с ней системы 
(окружающая среда) не могут возвратиться в начальное состояние. 
Более подробно последние понятия рассмотрены в параграфе «Термодинамика химического равновесия». 
Энергия. Внутренняя энергия. Основным свойством материи является то, что она находится в постоянном движении. 
Формы движения материи могут быть различными и определяются уровнем ее организации.  
Мерой движения и взаимодействия материальных систем 
является энергия. Полная энергия системы представляет собой 
сумму кинетической и потенциальной энергий системы как 
целого, так и ее внутренней энергии. 
Внутренняя энергия U – это общий запас энергии системы, 
слагающийся из кинетической энергии движения составляющих ее частиц (молекул, атомов, ионов, электронов и др.) и 
потенциальной энергии их взаимодействия. 
Пока не существует методов измерения абсолютной величины U какой-либо системы, но изменение внутренней энергии ΔU в каком-нибудь процессе можно измерить или рассчитать, что оказывается достаточным для решения многих физико-химических проблем. 
Работа и теплота. Известны две формы передачи энергии 
от одной системы к другой или от одной части системы к дру

гой ее части. Упорядоченную форму передачи энергии называют работой, неупорядоченную форму передачи энергии называют теплотой. 
При передаче энергии в форме работы одно тело (система) 
развивает определенным образом направленную силу, за счет 
которой производится работа над другим телом (системой), к 
которому эта сила приложена. При этом тело, производящее 
работу, передает часть своей энергии телу, над которым производится работа. Следует иметь в виду, что словом «работа» 
обозначают как сам процесс передачи энергии, так и количество энергии, обозначаемое символом А. Работу, производимую системой над окружающей средой, условились считать 
положительной, а работу, производимую над системой, – отрицательной. 
Теплота – это неупорядоченная форма передачи энергии от 
одной системы к другой, производимая посредством совокупности микрофизических процессов, например в результате 
движения и взаимодействия молекул. Термином «теплота» 
называют не только сам процесс передачи энергии, но и количество энергии, переданной в форме тепла. Количество теплоты обозначают символом Q. Если система получает некоторое 
количество энергии, передаваемое в форме тепла, то Q условно считают положительной величиной, если же система отдает энергию окружающей среде в форме тепла, то Q считают 
отрицательной величиной. 

1.2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ 

Первый закон термодинамики установлен Ю. Майером 
(1842), Д. Джоулем (1842) и Л. Гельмгольцем (1847) и представляет собой обобщение огромного человеческого опыта. 
Первый закон термодинамики по своему существу является законом сохранения и превращения энергии. Он гласит: 
«Если к системе подводится определенное количество 
энергии в форме теплоты Q, то часть этой энергии расходуется на изменение внутренней энергии системы ΔU, а часть – 
на совершение работы А. Энергия может превращаться из 
одного вида в другой, но не может возникать или исчезать». 
Необходимо отметить, что ΔU не зависит от пути перехода 
системы из начального состояния в конечное, т.е. внутренняя 

энергия является функцией состояния системы. Справедливость этого утверждения доказывается следующим образом. 
Предположим, что в состоянии 1 внутренняя энергия системы U1. Из этого состояния система переходит в состояние 2, 
в котором ее внутренняя энергия равна U2. 
Такой переход можно осуществить различными путями 
(рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Изменение внутренней энергии при переходе системы  
из одного состояния в другое 

При переходе системы из состояния 1 в состояние 2 по 
первому пути изменение внутренней энергии системы обозначим через ΔUI, а по второму пути – через ΔUII. Согласно первому закону термодинамики ΔUI = ΔUII; если бы это равенство 
не соблюдалось и, например, ΔUI было бы больше ΔUII, то, 
переводя систему последовательно из состояния 1 в состояние 
2 по пути I и обратно по пути II, можно было бы получить 
энергию из ничего. 
В отличие от ΔU величина Q и А в общем случае зависят от 
пути процесса. 
Применение первого закона термодинамики к различным процессам. Если система совершает работу А только 
против внешнего давления, то  

А = рΔV.                                              (1.1) 

Математическое выражение первого закона термодинамики в этом случае имеет следующий вид:   

Q = ΔU + рΔV.                                     (1.2) 

Для изохорного процесса (V = cоnst) рΔV = 0, следовательно,  

QV = ΔU,                                       (1.3) 

где QV – энергия, сообщаемая системе в изохорном процессе.