- Принос от Ед Виц, Джон У. Мур, Джъстин Шорб, Ксавие Прат-Резина, Тим Уендорф и Адам Хан
- ChemPRIME в Цифрова библиотека за химическо образование (ChemEd DL)
Marshmallow първоначално се използваше за лечение на болки в гърлото. Направен е от корена на растението блатен слез, Althaea officinalis, понякога се смесва със захари или други съставки и се разбива, за да се получи нещо като модерния блат. [1] Съвременните блатове Campfire® съдържат царевичен сироп, захар, модифицирано хранително нишесте (царевица), декстроза, вода, желатин, естествен и изкуствен аромат, тетранатриев пипрофосфат и Blue 1 [2], а желатиновият протеин, направен от кости и кожи, прави те са ограничени за строги вегетарианци. Ще считаме блата за 7,5 g чиста захар (захароза) за изчисленията по-долу.
Нека да проучим съдбата на един блат, когато го изядете, и да обясним отчасти откъде идва енергията на храната.
Аеробен метаболизъм
Ще ни е необходима енергията, доставена от общата реакция за аеробни метаболизъм на захарозата, който се случва, когато има много кислород:
\ [C_H_O_ (s) + 12 O_2 (g) → 12 CO_2 (g) + 11 H_2O (l) \, \, \, \, ΔH_ \ етикет \]
Но тази реакция обединява много интересни процеси. The хидролиза (разцепване с вода) на захароза до обикновените захари глюкозата и фруктозата се срещат в слюнката, но не и без ензима захараза, който катализира реакцията:
Анаеробен метаболизъм
Лактобацили в нашата уста частично превръщаме простите захари в млечна киселина (която причинява кариес), в общата реакция за гликолиза плюс ферментация:
Тази реакция осигурява енергия за поддържане на бактериите, но се среща и в телата ни, когато захарта се метаболизира анаеробно (с ограничен кислород), а млечната киселина е отговорна за мускулните болки в деня след като упражним мускулите си. Лактобацилите се използват в контролирани рецепти за създаване на млечна киселина, която създава тръпчив или кисел вкус на кисело мляко и кисело зеле.
Ако бактериите не метаболизират глюкозата, ние го използваме, за да произведем АТФ в процес, наречен гликолиза което включва около десет различни реакции, които завършват с производството на пировиноградна киселина (C3H4O3). Ако мускулите ни са добре окислени, пировиноградната киселина се превръща в CO2 и H2O и имаме цялостна реакция (1), даваща енергия, която ще изчислим по-долу. По време на продължително упражнение, гликолиза спира, когато свърши кислородът, за да се получи основен реагент NAD +. Тогава анаеробна ферментация поема, произвеждайки NAD + и превръщайки пировиноградната киселина в млечна киселина (C3H6O3), която се натрупва в мускулите в резултат на реакция (3). Това произвежда много по-малко енергия от аеробния метаболизъм, както ще видим по-долу.
Процесът прави само 2 АТФ, вместо много повече, които биха се получили, ако пировиноградната киселина се метаболизира аеробно чрез цялостна реакция (1).
Как химиците за храна изчисляват енергията, произведена във всички тези реакции?
Досега можете да си представите, че има безброй реакции, участващи само в метаболизма на храната, и би било практически невъзможно да се изброят всички термохимични уравнения, заедно със съответните промени в енталпията.
За щастие законът на Хес дава възможност да се изброят само стандартната енталпия на образуването ΔHf, за всяко съединение и използвайте тези ΔHf стойности за изчисляване на ΔХм за всяка реакция от интерес.
Стандартна енталпия на образуването
Стандартната енталпия на образуването е промяната на енталпията, когато 1 мол от чисто вещество се образува от неговите елементи. Всеки елемент трябва да бъде във физическата и химическата форма, която е най-стабилна при нормално атмосферно налягане и определена температура (обикновено 25 ° C).
Например, тъй като H2O (л) се появява в уравнение (1), ще ни трябва ΔHf за изчисляване на енергията, налична от блат. Ако знаем, че ΔHf [H2O (l)] = –285,8 kJ mol –1, можем веднага да напишем термохимичното уравнение
H2 (ж) + ½O2 (ж) → H2O (л) ΔHfm = –285,8 kJ mol –1 (4)
Елементите Н и О се появяват като двуатомни молекули и в газообразна форма, защото това са най-стабилните им химични и физични състояния. Имайте предвид също, че се отделят 285,8 kJ на мол от H2O (л) формиран. Уравнение (1) трябва да посочва образуването на 1 mol H2O (л), и така коефициентът на O2 трябва да бъде ½.
Използване на енталпии на образуването за изчисляване на енергията от аеробния метаболизъм на захарозата
В допълнение към (4) ще ни трябват още две ΔHf, стойности за изчисляване на енергията в зефир. Те са ΔHf стойности за другите съединения в уравнение (1), CO2 и C12H22O11. Всички ΔHfmстойности могат да бъдат намерени в стандартни таблици като тази в края на този раздел и можем да напишем уравненията (5) и (6), знаейки дефиницията на ΔHf:
H2 (ж) + ½O2 (ж) → H2O (л) ΔHfm = –285,8 kJ mol –1 (4)
° С(с) + O2 (ж) → CO2 (ж) ΔHfm = –393,509 kJ mol –1 (5)
12 C (с) + 11 H2 (ж) + 11/2 O2 (ж) → C12H22O11 ΔHfm = -2222,1 kJ mol –1 (6)
По закона на Хес може да сме в състояние да комбинираме уравнения 4, 5 и 6, за да получим уравнение (1). Първо, забелязваме, че (1) има захароза вляво, но е вдясно в (6); така че обръщайки (6) получаваме
C12H22O11 (с) → 12C (с) + 11 H2 (ж) + 11/2 O2 (ж) -ΔХм = +2222,1 kJ mol –1 (6a)
За да отменим 12 C, който не се появява в (1), ще добавим 12 x Уравнение (5) (заедно с 6 пъти неговата промяна в енталпията:
12 C (с) + 12 O2 (ж) → 12 CO2 (ж) 6 x ΔХм = 12 x (-393,509) kJ mol –1 (5a)
И да добавим 11 H2O (л), който се появява в (1), ще добавим 11 x уравнение (4):
11 Н2 (ж) + 11/2 O2 (ж) → 11 H2O (л) ΔHm4 = 11 x (–285,8) kJ mol –1 (4a)
Ако комбинираме уравнения 6а, 5а и 4а съгласно закона на Хес, забелязваме, че 12 Н2, 12 С и 11/2 О2 (ж) се появяват отляво и отдясно и отказват, за да дадат уравнение (1)!
След това можем да комбинираме енталпиите, за да получим необходимата ΔХм:
ΔХм = 12 ΔHm5 + 12 ΔHm4 - ΔHm6 = 12 x (-393,509) + 11 x (–285,8) - (-2222,1) kJ mol –1 = -5643,8 kJ mol –1
Забележете, че тази стойност се появява в таблицата в края на този раздел. Със закона на Хес винаги можем да изчислим енталпия на изгаряне от енталпии на формацията или обратно! Реакция (6), съответстваща на ΔHfm на захарозата не настъпва, но енталпията й може да се изчисли от енталпиите на реакциите, които се случват.
Забележете, че нашето изчисление опростява до:
ΔХм = ∑ ΔHf (продукти) - ∑ ΔЗ.f (реагенти)
Символът Σ означава „сумата от“. Така че просто трябва да добавим ΔHf стойности за продуктите и извадете сумата от ΔHf стойности за реагентите в уравнение (1). Тъй като ΔHf са дадени стойности на мол от съединение, трябва да сте сигурни, че умножавате всеки ΔHf чрез подходящ коефициент в от уравнение (1) (за който ΔХм се изчислява).
Калории в зефир
Сега можем да изчислим хранителната енергия в блата: Моларната маса на захарозата е 342,3 g/mol, така че енергията на грам е -5643,8 kJ/mol/342,3 g/mol = 16,49 kJ/g. В 7,5 g блат, като си спомним, че 1 диетична калория е 4,184 kJ, имаме 7,5 g x 16,49 kJ/g x (1 Cal/4,184 kJ) = 29,6 Cal. (Но кой може да спре само на един печен блат?)
Обобщение на изчислението на реакционната енталпия
Обърнете внимание внимателно как е разрешен горният проблем. В стъпка 6а реагент съединение C12H22O11 (с) е хипотетично разложен на своите елементи. Това уравнение беше обратното на образуването на съединението и така ΔЗ.1 беше противоположен на знак от ΔHf. В стъпка 5а имахме хипотетичното формиране на продукт CO2 (ж) от неговите елементи. Тъй като са получени 12 mol, промяната на енталпията е удвоена, но нейният знак остава същият. В стъпка 4а имахме хипотетичното формиране на продукт H2O (л) от неговите елементи. Тъй като са получени 11 mol, промяната на енталпията се умножава по 11, но нейният знак остава същият.
Към всяка химическа реакция може да се подходи по подобен начин. За да се изчисли ΔХм ние добавете всички ΔHf стойности за продуктите, като всеки се умножава по подходящия коефициент, както в стъпка 2 по-горе. Тъй като знаците на ΔHf тъй като реагентите трябваше да бъдат обърнати в стъпка 1, ние изваждане тях, отново умножавайки по подходящи коефициенти.
Отново това може да обобщи от важното уравнение
ΔХм = ∑ ΔHf (продукти) - ∑ ΔЗ.f (реагенти)
Друга точка произтича от дефиницията на ΔHf. Стандартната енталпия на образуване за елемент в най-стабилното му състояние трябва да бъде нула. Ето защо ΔHf за O2 не се появява в изчислението по-горе; неговата стойност е нула, съответстваща на образуването на O2 от неговите елементи. Няма промяна в реакцията по-долу, така че ΔHf = 0:
Стандартните енталпии на образуване за някои често срещани съединения са дадени в таблицата по-долу, а повече са дадени в Таблица на някои стандартни енталпии на образуване при 25 ° C. Тези стойности могат да се използват за изчисляване на ΔХм за всяка химическа реакция, стига всички включени съединения да се появят в таблиците. За да видите как и защо това може да се направи, разгледайте следния пример.
Енергия на захарозна хидролиза в слюнката
Пример \ (\ PageIndex \): Стандартни енталпии на образуването
Използвайте стандартни енталпии на формацията, за да изчислите ΔХм за реакцията
ΔХм = ∑ ΔHf (продукти) - ∑ ΔЗ.f (реагенти)
От таблицата по-долу ΔHf за глюкоза, фруктоза, захароза и вода са съответно -1271, -1266,6 (те всъщност могат да бъдат еднакви, но измерени по различни методи), -2222,1 и -285,8 kJ mol –1 съответно. Имайте предвид, че внимавахме да използваме ΔHf [H2O (л)] не ΔHf [H2O (ж)] или (л). Заместването на тези стойности в горното уравнение дава
ΔХм = [1 мол глюкоза х (-1271 kJ мол –1) + 1 мол фруктоза х (-1266,6 kJ мол –1] - [1 мол захароза х (-2222,1 kJ мол –1 + 1 мол вода х -285,8 kJ мол - 1] = -29,7 kJ mol –1 .
Процесът всъщност е екзотермичен, отделяйки малко количество топлинна енергия. Измерената енергия за хидролиза на малтоза до 2 глюкозни единици е само -4,02 kJ [3] .
Енергия в глюкозния метаболизъм и анаеробно образуване на АТФ
Пример \ (\ PageIndex \): Анаеробен метаболизъм
Използвайте таблицата на стандартните енталпии на формиране при 25 ° C, за да изчислите ΔХм за реакцията по-долу (гликолиза + ферментация), която е свързана с производството на 2 mol ATP (както и NADH) в анаеробния метаболизъм в тялото ви. ΔHf за млечна киселина и глюкоза са съответно -687 и -1271 kJ mol –1.
ΔХм = ∑ ΔHf (продукти) - ∑ ΔHf (реагенти)
= [2 mol млечна киселина x (–687) kJ mol –1] - [1 mol глюкоза x (–1271 kJ mol –1)
= –1374 + 2222,1 kJ = -103 kJ.
Тази енергия се използва отчасти за получаване на 2ATP молекули, вместо да се отделя изцяло като топлина. Обърнете внимание, че -5643,8 kJ mol –1 е резултат от аеробния метаболизъм на захарозата (по-горе), но само 2 (-103) kJ = -206 kJ ще бъде резултат от нейния анаеробен метаболизъм (тъй като 1 mol захароза дава 2 mol глюкоза).
| Съединение | ΔHf kJ mol –1 | ΔHf kcal mol –1 | ΔНс kJ mol –1 |
| H2O (ж) | –241,818 | –57,79 | - |
| H2O (л) | –285,8 | –68,3 | - |
| H2O2 (л) | –187,78 | –44,86 | - |
| CO (ж) | –110,525 | –26.41 | - |
| CO2 (ж) | –393,509 | –94.05 | - |
| NH3 (ж) | –46.11 | –11.02 | - |
| C2H2 (ж) | +226,73 | +54.18 | - |
| C3H6O3 млечна киселина | -687 [4] | -164,08 [5] | - |
| C3H4O3 пировиноградна киселина | –584,5 [6] | - | - |
| C6H12O6 глюкоза | -1271 [7] | + | –2803 [8] |
| C6H12O6 галактоза | –1286 [9] -1286,3 [10] | - | –2803,7 [11] |
| C6H12O6 фруктоза | –1265,6 [12] | - | –2812 [13] |
| C12H22O11 захароза | -2375 1 [14] -2222,1 [15] [16] | - | –5645 [17] –5646 [18] -5644 [19] |
| C12H22O11 малтоза | - | - | –5644 [20] |
| C6H12O6 лактоза | −2236,7 [21] | - | –5648 [22] -5629,5 [23] |
| C2H6O1 етанол | - | - | –1367 [24] |
| C6H14O6 сорбитол | –5644 1 [25] | - | - |
| C18H34O2 олеинова киселина | –772 1 [26] | - | - |
| C18H30O2 линоленова киселина | –665 1 [27] | - | - |
| C57H104O6 триолеин | –2390 1 [28] -2193,7 [29] | - | -35224 [30] -35099,6 [31] |
1. Оценка, базирана на теоретично изчисление
Най-общите референции са NIST, този калкулатор, базиран на енергия на връзката, и за изчислените стойности на QSPR, Int. J. Mol. Sci. 2007, 8, 407-432.
От ChemPRIME: 3.9: Стандартни енталпии на образуването
Препратки
- ↑ en.Wikipedia.org/wiki/Marshmallow
- ↑ www.campfiremarshmallows.com/. rshmallows.asp
- ↑ http://www.jbc.org/content/264/7/3966.full.pdf
- ↑ www.lactic.com/index.php/lacticacid
- ↑ www.lactic.com/index.php/lacticacid
- ↑ www.brainmass.com/homework-he. химия/11390
- ↑ en.Wikipedia.org/wiki/Glucose
- ↑ www.science.uwaterloo.ca/
cch. propertyc.html
cch. propertyc.html
cch. propertyc.html
cch. propertyc.html
cch. propertyc.html
Сътрудници и атрибуции
Ед Виц (Университет Куцтаун), Джон У. Мур (UW-Медисън), Джъстин Шорб (Хоуп Колидж), Ксавие Прат-Резина (Университет в Минесота Рочестър), Тим Уендорф и Адам Хан.
- 10 енергийни храни за закуска, които да подхранват вашите летни MyRecipes
- Най-добрите храни за ядене на енергия в този хранителен магазин Winter Foodtown
- 2020-06-20 Предоставете най-новите хапчета за секс енергия - SkyGate
- 7 храни, които естествено повишават енергията ви
- 7 най-добри храни за повишаване на енергията ви - какво да ядете, за да се преборите с умората