Elektrochemia. potencjały elektrodowe. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.2 / 1. Elektrochemia potencjały elektrochemiczne

Podobne dokumenty
Ogniwa elektrochemiczne wprowadzenie Klasyfikacja półogniw Termodynamika ogniwa galwanicznego; równanie Nernsta

Schemat ogniwa:... Równanie reakcji:...

K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Podstawowe pojęcia 1

Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

ELEKTRODY i OGNIWA. Elektrody I rodzaju - elektrody odwracalne wzgl dem kationu; metal zanurzony w elektrolicie zawieraj cym jony tego metalu.

1. za pomocą pomiaru SEM (siła elektromotoryczna róŝnica potencjałów dwóch elektrod) i na podstawie wzoru wyznaczenie stęŝenia,

10. OGNIWA GALWANICZNE

wykład 6 elektorochemia

Cel ogólny lekcji: Omówienie ogniwa jako źródła prądu oraz zapoznanie z budową ogniwa Daniella.

10. OGNIWA GALWANICZNE

Elektrochemia. Reakcje redoks (utlenienia-redukcji) Stopień utlenienia

ELEKTROCHEMIA. Podstawy

Fragmenty Działu 8 z Tomu 1 PODSTAWY ELEKTROCHEMII

OGNIWA GALWANICZNE I SZREG NAPIĘCIOWY METALI ELEKTROCHEMIA

Elektrochemia - szereg elektrochemiczny metali. Zadania

TŻ Wykład 9-10 I 2018

Reakcje redoks polegają na przenoszeniu (wymianie) elektronów pomiędzy atomami.

Fe +III. Fe +II. elektroda powierzchnia metalu (lub innego przewodnika), na której zachodzi reakcja wymiany ładunku (utleniania, bądź redukcji)

MA M + + A - K S, s M + + A - MA

Wykład z Chemii Ogólnej i Nieorganicznej

POWTÓRKA Z ELEKTROCHEMII

Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej. Część V

Sem nr. 10. Elektrochemia układów równowagowych. Zastosowanie

NAPIĘCIE ROZKŁADOWE. Ćwiczenie nr 37. I. Cel ćwiczenia. II. Zagadnienia wprowadzające

BIOTECHNOLOGIA. Materiały do ćwiczeń rachunkowych z chemii fizycznej kinetyka chemiczna, 2014/15

ELEKTROCHEMIA. Wykład I

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Reakcje redoks polegają na przenoszeniu (wymianie) elektronów pomiędzy atomami.

Przetwarzanie energii: kondensatory

Elementy Elektrochemii

Ogniwa galwaniczne. Chem. Fiz. TCH II/15 1

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

Reakcje utleniania i redukcji. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Elektrochemia. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

Elektrochemia elektroliza. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 1

ELEKTROCHEMIA ZAKŁAD CHEMII MEDYCZNEJ POMORSKI UNIWERSYTET MEDYCZNY

Reakcje utleniania i redukcji

(1) Przewodnictwo roztworów elektrolitów

Al 2 O 3 anodowe utlenianie folii Al. TiO 2 nanotubes deliver drugs HRSEM nanotechweb.org. a. kotarba Zakład Chemii Nieorganicznej

Pytania przykładowe na kolokwium zaliczeniowe z Podstaw Elektrochemii i Korozji

Przetwarzanie energii: kondensatory

I 2 + H 2 S 2 HI + S Wielkością charakteryzującą właściwości redoksowe jest potencjał redoksowy E dany wzorem Nernsta. red

Budowę ogniwa galwanicznego opiszemy na przykładzie ogniwa glinowo- -srebrowego, które przedstawiono na Rysunku 1.

Ćwiczenie 25. Piotr Skołuda OGNIWA STĘŻENIOWE

Terminy. Omówienie kolokwium I. Poprawa kolokwium I. Poprawa kolokwium II g. 15, s g. 15, s g. 15, s.

Pierwiastki bloku d w zadaniach maturalnych Zadanie 1. ( 3 pkt ) Zadanie 2. (4 pkt) Zadanie 3. (2 pkt) Zadanie 4. (2 pkt) Zadanie 5.

ELEKTROGRAWIMETRIA. Zalety: - nie trzeba strącać, płukać, sączyć i ważyć; - osad czystszy. Wady: mnożnik analityczny F = 1.

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA POZIOM ROZSZERZONY

Chemia analityczna. Redoksymetria. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Ogniwa galwaniczne. Chem. Fiz. TCH II/15 1

Materiały elektrodowe

MODUŁ. Elektrochemia

( liczba oddanych elektronów)

PODSTAWY PROCESÓW ELEKTROCHEMICZNYCH

Podstawy elektrochemii i korozji

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM. Chemia Poziom rozszerzony

Ć W I C Z E N I E 6. Nadnapięcie wydzielania wodoru na metalach

WYKŁAD 13 Przewodnictwo roztworów elektrolitów. Konduktometria nanotechnologia II rok 1

Wyciskamy z cytryny... prąd elektryczny. Wpisany przez Administrator środa, 04 lipca :26 -

Podstawy elektrochemii

Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday a. Zadania

Wrocław dn. 22 listopada 2005 roku. Temat lekcji: Elektroliza roztworów wodnych.

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z CHEMII na poszczególne oceny dla uczniów klasy III a. chemia rozszerzona. mgr Adam Makówka

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

Obwody prądu stałego. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Nazwy pierwiastków: ...

Elektrochemia. Jak pozyskać energię z reakcji redoksowych?

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Chemia I Semestr I (1 )

Chemia - laboratorium

A4.05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA POZIOM ROZSZERZONY

ELEKTROCHEMIA CIAŁA STAŁEGO

Ćwiczenie III: WYZNACZENIE ENTALPII SWOBODNEJ, ENTALPII I ENTROPII REAKCJI W OGNIWIE CLARKA

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA POZIOM ROZSZERZONY

SOFC. Historia. Elektrochemia. Elektroceramika. Elektroceramika WYKONANIE. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839

10 k. OGNIWA GALWANICZNE

MODEL ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA ARKUSZA EGZAMINACYJNEGO II

Główne zagadnienia: - mol, stechiometria reakcji, pisanie równań reakcji w sposób jonowy - stężenia, przygotowywanie roztworów - ph - reakcje redoks

Elektrochemia. 2 Mg (s) + O 2 (g) 2MgO (s)

Reakcje utleniania i redukcji

Metody Badań Składu Chemicznego

1. Kryształy jonowe omówić oddziaływania w kryształach jonowych oraz typy struktur jonowych.

Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu - reakcje egzoenergetyczne i endoenergetyczne, szybkość reakcji chemicznych

To jest. Ocena bardzo dobra [ ] energetycznych. s p d f. Ocena dobra [ ] izotopowym. atomowych Z. ,, d oraz f.

Problemy do samodzielnego rozwiązania

Zagadnienia z chemii na egzamin wstępny kierunek Technik Farmaceutyczny Szkoła Policealna im. J. Romanowskiej

Zadanie 2. Przeprowadzono następujące doświadczenie: Wyjaśnij przebieg tego doświadczenia. Zadanie: 3. Zadanie: 4

WNIOSEK REKRUTACYJNY NA ZAJĘCIA KÓŁKO OLIMPIJSKIE Z CHEMII - poziom PG

MODEL ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA ARKUSZA EGZAMINACYJNEGO 2006

PODSTAWY CHEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład 2

λ = Ćwiczenie 5K Wyznaczanie liczb przenoszenia oraz ruchliwości jonów w polu elektrycznym.

Funkcje termodynamiczne określają stan układu termodynamicznego

WNIOSEK REKRUTACYJNY NA ZAJĘCIA KÓŁKO OLIMPIJSKIE Z CHEMII - poziom PG

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

IV A. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

Transkrypt:

lektrochemia potencjały elektrodowe Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 1

4..1. Ogniwa elektrochemiczne - wprowadzenie lektryczna warstwa podwójna przykład Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. /

4..1. Ogniwa elektrochemiczne - wprowadzenie Ogniwo elektrochemiczne G<0 lektrolizer G>0 Kierunek transportu energii Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 3

lektrochemia ogniwa galwaniczne Termodynamika ogniw Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 4

Termodynamika ogniwa galwanicznego Równanie Nernsta Różnicę potencjałów elektrod ogniwa w warunkach quasi-statycznego przepływu ładunku nazywa się siłą elektromotoryczną (SM) ogniwa: Praca przeniesienia ładunku q w polu o różnicy potencjałów d: W el dq 1 d dq W dq el quasi stat. 1 lementarna praca elektryczna wykonana w quasi-statycznym procesie izotermicznoizobarycznym jest równa zmianie entalpii swobodnej: dg W el dq Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 5

Termodynamika ogniwa galwanicznego Z drugiej strony zmiana entalpii swobodnej układu związana jest z przebiegiem reakcji chemicznej, a miarę tego przebiegu stanowi zmiana liczby postępu reakcji: A dq d dq n d F dg Ad Ad dq F oznacza stałą Faradaya. Podstawowe równanie termodynamiczne ogniwa elektrochemicznego: A nf o A RT ln K a m v 1 1 T, p v a Po podstawieniu otrzymuje się wzór Nernsta: O RT nf ln a a v r v 1 1 r a a v s v s prod substr gdzie jest standardową siłą elektromotoryczną. o RT nf ln K m o A nf Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 6

Termodynamika ogniwa galwanicznego Przykład: Napisać równanie Nernsta dla reakcji Sn Pt Sn 3 4 Fe Sn Fe, Sn Fe Fe 4 3 Reakcje utlenienia: Reakcje redukcji: 4 Sn Sn e 3 Fe e Fe, Pt o RT ln a Fe a Sn 4 F a a 3 Fe Sn Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 7

Termodynamika ogniwa galwanicznego ntalpia swobodna oraz stała równowagi Korelacje SM z wartością entalpii swobodnej: G G G nf G nf ox red RT ln Q G RT ln K G.303RT log K RT nf n = liczba elektronów biorących udział w procesie F = stała Faraday a = 9.6487 10 4 C/mol e -1 = 9.6487 x 10 4 J/V mol e - T = 98. K R = 8.314 10-3 kj/mol K Q jest ilorazem aktywności produktów i substratów reakcji. ln K Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 8

Termodynamika ogniwa galwanicznego Korelacja pomiędzy danymi termodynamicznymi i elektrochemicznymi Dane kalorymetryczne Hº, Sº G H TS Gº G nf Dane elektrochemiczne º G 0.0569 RT ln K ln K n Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 9

Konwencje elektrochemiczne Konwencja Sztokholmska: SM ogniwa jest dodatnia gdy w ogniwie elektrochemicznym przebiega reakcja samorzutna, a ujemna, gdy reakcja jest wymuszona. z lewej strony zapisu schematu ogniwa umieszcza się zawsze elektrodę ujemną, a po prawej stronie elektrodę dodatnią jeżeli reakcja w ogniwie przebiega samorzutnie, to na lewej elektrodzie (ujemnej) przebiega zawsze reakcja utleniania, a na prawej (dodatniej) reakcja redukcji. Reakcja przebiegająca w ogniwie jest sumą tych dwóch procesów elektrodowych, a siła elektromotoryczna SM ogniwa jest równa różnicy potencjałów elektrod tworzących ogniwo. Uzasadnienie Dla ogniwa odwracalnego: G nf Ponieważ dla reakcji samorzutnej G<0 zatem SM >0 Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 10

lektrochemia ogniwa galwaniczne Typy półogniw Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 11

Ogniwa elektrochemiczne - wprowadzenie Nazewnictwo Cu Cu + + e - (Ag + + e - Ag) Ag + + Cu Cu + + Ag (utlenianie, anoda) (redukcja, katoda) (sumarycznie) Cu Cu + (1.0 M) Ag + (1.0 M) Ag Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 1

Ogniwa elektrochemiczne - wprowadzenie Ogniwo galwaniczne jest to układ składający się z półogniw, których elektrolity maja elektryczny kation jonowy (np.. Poprzez klucz elektrolityczny) Półogniwa to układ składający się z elektrody wraz z otaczającym ją roztworem elektrolitu Każde ogniwo składa się z dwu półogniw: Katody półogniw, w którym zachodzi proces redukcji Anody półogniwa, w którym zachodzi proces utlenienia Budowę ogniwa można przedstawić w sposób schematyczny: SM= 1 - anoda elektrolit anodowy elektrolit katodowy katoda Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 13

Typy półogniw Półogniwa pierwszego rodzaju Półogniwa odwracalne względem kationu a) Półogniwa z aktywną elektrodą metalową. Cu e Cu RT ln Cu Cu b) Półogniwa gazowe. a Cu Cu Cu F accu Przykładem takiego półogniwa jest półogniwo wodorowe NW Normalna elektroda wodorowa: H 3O e H H O Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 14

półogniw Półogniwa drugiego rodzaju Półogniwa odwracalne względem anionu a) Półogniwa drugiego rodzaju elektroda metalowa pokryta jest szczelnie warstwą trudno rozpuszczalnej soli tego metalu i zanurzona w roztworze zawierającym aniony tej soli. np. półogniwo chlorosrebrowe b) Półogniwa gazowe np. półogniwo chlorowe AgCl Cl Cl Cl Cl e, Pt e AgCl, Ag Cl Ag Cl Cl o Cl, Pt Cl AgCl, Ag RT F ln a RT F Cl f Cl ln a Cl kal lektroda kalomelowa RT kal ln acl F Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 15

Typy półogniw Półogniwa redoks Cr O, Cr 3 7, H 3 O Pt _ 3 CrO7 14H 3O 6e Cr 1H O red, ox Pt red, ox Pt RT nf ln a a ox red Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 16

Typy półogniw Półogniwa stężeniowe Ogniwa zestawione z dwóch jednakowych półogniw różniących się jedynie stężeniami reagentów. a Cu a Cu Cu Cu,1, w prawym półogniwie zachodzi reakcja: Cu a e Cu, RT F a, ln a,1 w lewym półogniwie zachodzi reakcja: a e Cu Cu,1 Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 17

Pomiar SM ogniwa Przykład: ogniwo Daniella Zn, Zn Reakcja na lewej elektrodzie: a 1 Cu a 1, Cu Zn Zn e utlenianie Reakcja na prawej elektrodzie: Cu e Reakcja w ogniwie: Cu redukcja Cu Zn Cu Zn 0,763 1, V 0,337 10 0 Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 18

Pomiar SM ogniwa Ogniwo Volty Jest ogniwem nieodwracalnym Jeżeli płyty Zn i Cu nie są połączone zewnętrznym przewodnikiem, to cynk roztwarza się w kwasie siarkowym. Dopiero po dołączeniu odwodu zewnętrznego zachodzi proces: Zn -> Zn + + e - a wodór wydziela się na elektrodzie miedzianej H + + e - -> H Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 19

lektrochemia ogniwa galwaniczne Pomiar SM Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 0

Pomiar SM ogniwa Metoda kompensacyjna x w R R x w Klucz elektrolityczny Katoda redukcja Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 1

Pomiar SM ogniwa Potencjały standardowe pr l Standardowy potencjał półogniwa wodorowego równy jest zeru. (w każdej temperaturze!). H 3 O H, Pt RT F ln a H 3 f O H Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. /

Pomiar SM ogniwa Potencjały standardowe Szereg napięciowy Pt(s) H (g) H + (a) Ag + (a) Ag(s) NW H + (aq) + e- = H (g) Klucz 0 = 0V silniejsze utleniacze º(V) F (g) + e- = F -.890 Ce 4+ + e- = Ce 3+ 1.70 Ag + + e- = Ag(s) 0.799 Fe 3+ + e- = Fe + 0.771 O + H + + e- <=> H O 0.695 Cu + + e- = Cu(s) 0.339 H + + e- = H (g) 0.000 Cd + + e- = Cd(s) -0.40 Zn + + e- = Zn(s) -0.76 K + + e- = K(s) -.936 Li + +e- = Li(s) -3.040 silniejsze reduktory Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 3

Pomiar SM ogniwa Przykłady stosowania pomiarów elektrochemicznych Obliczenie stałej równowagi Obliczyć stałą równowagi reakcji w ogniwie: a 1 Pb a 1 Pb Sn, Sn, Sn Pb Pb Sn 0,140 0, V 0,16 014 0 0,0591 n nf0 RT ln K 0 log K 0,0591 0,014 log K K a, 97 Sb a Pb Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 4

Pomiar SM ogniwa Przykłady zastosowań pomiarów SM Iloczyn rozpuszczalności elektrolitów Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 5

Pomiar SM ogniwa Przykłady stosowania pomiarów elektrochemicznych Wyznaczanie termodynamiki reakcji Pomiar: = f(t) Obliczenie: G, S, H reakcji zachodzącej w ogniwie Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 6

Pomiar SM ogniwa Przykłady stosowania pomiarów elektrochemicznych Miareczkowanie potencjometryczne W punkcie równoważnikowym = elektroda wskaźnikowa potencjał zależy od stężenia substancji miareczkowanej elektroda odniesienia potencjał jest stały

lektrochemia ogniwa galwaniczne Kierunkowość procesów elektrochemicznych Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 8

Kierunkowość procesów elektrochemicznych Potencjał utleniająco redukujący Kierunkowość procesów redoks Przykładowe reduktory: Zn Zn Zn e º = -0,768V Ag Ag Ag e º = +0,7994V Zn Przykładowe utleniacze: Ag Im wyższa wartość potencjału półogniwa tym większa zdolność utleniająca. Mg Mg Mg e º = -,37V Br Br, Pt Mg Br e Br Zn Ag Zn Ag Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 9

Kierunkowość procesów elektrochemicznych Przykłady: Ocena kierunkowości procesów redoks Czy możliwa jest reakcja pomiędzy dwoma utleniaczami? MnO, Mn 4, H 3 O Pt MnO 4 8H 3O 5e Mn 1H O Br Br, Pt º = +1,087V º = +1,51V Br e Br Br Br, Pt MnO 4, Mn, H 3 O Pt Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 30

lektrochemia ogniwa galwaniczne Ogniwa jako źródło energii Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 31

Ogniwa jako źródła energii elektrycznej Warunek spontanicznej konwersji energii chemicznej na elektryczną G 0 G nf Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 3

Ogniwa jako źródła energii elektrycznej Opracowane zostało w 1877 r Ogniwo Leclanchego (tzw. sucha bateria) SM = 1,5V Budowa: dodatnią elektrodę stanowi węgiel; ujemną - cynk; elektrolitem jest 0% roztwór NH 4 Cl; depolaryzatorem jest MnO, który otacza elektrodę węglową w postaci sproszkowanej; elektrolit zmieszany jest z trocinami i mąką tworząc ciasto wypełniające ujemną elektrodę, którą jest cynkowy kubeczek; Zn Zn Zn Zn e, NH Cl, H O MnO 4, C MnO H 3O e MnO3 3H O Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 33

Ogniwa jako źródła energii elektrycznej Akumulator ołowiowy Pb PbSO H SO PbO,, 4 4 Pb Lewe półogniwo jest ogniwem odwracalnym względem kationu (II rodzaju), Pb p ra ca SO4 H 3O PbSO4 H la d o w a n ie O natomiast prawe złożonym, na którym zachodzi reakcja: p ra ca PbO SO4 4H 3O e PbSO4 6H la d o w a n ie O Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 34

Ogniwa jako źródła energii elektrycznej Akumulator disona OH KOH NiOH, NiOH, Ni Fe, Fe 3 Fe praca OH FeOH Ni 3 Ni OH ladowanie Modyfikacją akumulatora disona jest dość często stosowany akumulator niklowo-kadmowy, w którym zamiast elektrody żelaznej stosuje się elektrodę ze stopu Fe-Cd lub z kadmu. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 35

lektrochemia ogniwa galwaniczne Biologiczne procesy elektrochemiczne Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 36

Biochemiczne procesy elektrochemiczne Utlenianie chemiczne 1 H O H O Co jest źródłem energii w procesach życiowych komórek? Utlenianie biologiczne Ciąg reakcji redoks, trakcie których następuje transport protonów protonów elektronów ze zredukowanych substratów na tlen (cząsteczkowy dostarczany w wyniku oddychania). Reakcja redukcji tlenu cząsteczkowego O 4e 4H H O Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 37

Utlenianie biologiczne potencjały elektrochemiczne RH R H e red utl nh ne 0 0.059 n log utl H red n 0 0.059log 0 0.059 utl H log n red 0 0.059 ph 0.059 n log utl red Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 38

Utlenianie biologiczne potencjały elektrochemiczne Dla układów biologicznych potencjał wyznacza się przy ph=7 oraz w temperaturze 5ºC 0,059 utl 0 0.41 log n red Biologiczny potencjał standardowy redukcji: 0 0.41 Dla biologicznego półogniwa postać równania Nernsta: 0,059 n log utl red Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 39

Utlenianie biologiczne mechanizm Reakcja utleniania substratu (S) rozpoczyna proces przepływu elektronów wzdłuż łańcucha oddechowego (mitochondrialnego) Składniki pożywienia (polisacharydy, tłuszcze, białka) ulegają degradacji do monomerów, a następnie w cyklu Krebsa (cykl kwasu cytrynowego) utlenione do CO W czterech stadiach odwodorowania i utleniania zredukowanych substratów uczestniczą enzymy oksydacyjno-redukcyjne zwane dehydrogenazami: FAD dinukleotyd flawinowy, FMN nukleotyd flawinowy NAD+ koenzym dinukleotyd nikotynamidoadeninowy NADH zredukowany nukleotyd Sumarycznie: SH S H NAD H e e NADH H NAD SH dehydrogenaza S NADH H Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 40

Utlenianie biologiczne - przykład Podstawowa reakcja dostarczającą energię magazynowaną w postaci ATP: NADH H NAD H e O H e H O 1 1 NADH H O NAD H O G G 0 ' n F 96,5 0 ' G 0kJ / 0 ' 0,8 mol 0, 3V 0,3 0 ' 0, 8V Produktem tego procesu są trzy mole ATP, które w trakcie hydrolizy do ADP dostarczają komórkom ok.. 100 kcal/mol (co stanowi wydajność ok. 50%). Cykl Krebsa w połączeniu z łańcuchem oddechowym stanowi obfite źródło energii dla organizmów. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 41

Przykład Oceń, w którym kierunku zajdzie reakcja redukcji pirogronianu do mleczanu w obecności enzymu dehydrogenazy mleczanowej (a) w biologicznych warunkach standardowych, (b) gdy stosunek stężeń molowych [NAD+] : [NADH] = 1000 i stosunek stężeń molowych [mleczan] : [pirogronian] = 1000, w temperaturze 5ºC. Znając wartości potencjałów standardowych: CH3 CO COO H e CH3 0, 19V CHOH COO NAD H e NADH H 0, 3V Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 4

Przykład Rozwiązanie części a/ Przypomnienie: Charakter utleniająco-redukujące wynika ze względnych wartości potencjałów B A H e BH H e AH 1 A/ AH p L B / BH B H e BH B AH A H ah BH A e G 1 nf 0,059 n log 0 K' Dodatnia wartość sugeruje, że reakcja przebiega zgodnie z zapisem, czyli AH zostaje utlenione przez B Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 43

Przykład - Rozwiązanie 1-0,3-0,19 NAD + /NADH+H + pirogronian/mleczan 0 ' 0 ' 0 ' 0,19 ( 0,3) 0, 13V 1 G 0 ' n F 0 ' G 96,5 0,13 5,09kJ / mol W warunkach standardowych spontanicznie przebiega reakcja redukcji pirogronianu do mleczanu. Reakcja zachodzi w obecności enzymu dehydrogenazy mleczanowej, współdziałającej z koenzymem NADH, który utlenienia się do NAD +. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 44

Przykład Rozwiązanie części b/ Oceń, w którym kierunku zajdzie reakcja redukcji pirogronianu do mleczanu w obecności enzymu dehydrogenazy mleczanowej (a) w biologicznych warunkach standardowych, (b) gdy stosunek stężeń molowych [NAD+] : [NADH] = 1000 i stosunek stężeń molowych [mleczan] : [pirogronian] = 1000, w temperaturze 5ºC. 0 RT nf ln utl red 0 0,059 n log utl red 0,059 log pirogronian mleczan 0,059 1 0,19 log 0,19 0,089 0,79 1000 Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 45

Przykład Rozwiązanie części b/ 1 1 0,3 0,059 0,059 log log1000 NAD NADH H 0,3 0,089 1 0,31 W warunkach niestandardowych kierunek reakcji samorzutnych może ulec zmianie. W podanej sytuacji dochodzi do utlenienia mleczanu z jednoczesną redukcją NAD + do NADH 1-0,79-0,31 pirogronian/mleczan NAD+/NADH+H+ 0,79 0, V 0,31 048 G 1 96,5 0,048 9,6kJ / mol Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 46

Przykład Na podstawie poniżej przedstawionych połówkowych reakcji redukcji odpowiedz, czy poniższa reakcja może przebiegać samorzutnie w warunkach standardowych w ph=7. 1 O H H O TAK/NI 1 o O H e H O 0.8V o H e H 0.4V etanal H e etanol 0, 16V NAD H e NADH H 0, 3V Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 47

Przykład Na podstawie poniżej przedstawionych połówkowych reakcji redukcji odpowiedz, czy poniższa reakcja może przebiegać samorzutnie w warunkach standardowych w ph=7. 1 O etanal H O etanol TAK/NI O H e H O 1 o o H e H 0.4V etanal H e etanol 0.8V 0, 16V NAD H e NADH H 0, 3V Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 48

Przykład Na podstawie poniżej przedstawionych połówkowych reakcji redukcji odpowiedz, czy poniższa reakcja może przebiegać samorzutnie w warunkach standardowych w ph=7. 1 O NADH H H O NAD O H e H O 1 o o H e H 0.4V etanal H e etanol 0.8V TAK/NI 0, 16V NAD H e NADH H 0, 3V Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 49

Przykład Na podstawie poniżej przedstawionych połówkowych reakcji redukcji odpowiedz, czy poniższa reakcja może przebiegać samorzutnie w warunkach standardowych w ph=7. NADH H H NAD O H e H O 1 o o H e H 0.4V etanal H e etanol 0.8V TAK/NI 0, 16V NAD H e NADH H 0, 3V Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 50

Uzasadnienie Utleniacz / Reduktor NAD + /NADH H + /H -0.3V -0.4V Silniejszy reduktor Utleniacz-1 Utleniacz- NAD Reduktor- H H Reduktor-1 NADH NADH H H NAD Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 51

Przykład Oceń na podstawie podanych wartości połówkowych reakcji redoks, w którym kierunku przebiegnie reakcja w roztworze o stężeniach 1 mol/l wszystkich reagujących substancji? Oblicz zmianę standardowej entalpii swobodnej tej reakcji. NAD H e NADH H CH CHO e H CH CH OH 3 3 0, 3V 0, 16V ' 0 0. 16V G 0 ' nf 0 ' 0 ' G 30. 88kJ Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 5

Przykład Bakterie rodzaju Nitrobacter wykorzystują energię swobodną utleniania azotynu do azotanu tlenem do syntezy ATP. Oblicz G dla tej reakcji redoks. i napisz jej pełne równanie na podstawie następujących reakcji połówkowych. Ile moli ATP mogłoby powstać teoretycznie z ADP i fosforanu dzięki energii utleniania 1 mola w warunkach standardowych, jeśli hydrolizy ATP do ADP i fosforanu wynosi: -30,5 kj/mol?: NO H e NO H O 3 O H e H O 1 0, 4V 0, 8V Rozwiązanie: NO 3 1 O NO G 0.4 96.5 77kJ / 77 n. 5 moli 30.5 ATP mol Wykład z Chemii Fizycznej str. 4. / 53