Книга представляет собой монографию учебного характера. Сохраняя до некоторой степени традиционное построение курсов физической химии, она содержит ряд новых разделов (фотохимия, свойства полимеров и др.) и насыщена примерами, заимствованными из фактического материала биохимии, молекулярной биологии, биоорганической химии. В книге собрана обширная библиография, систематизированная по тематике, степени сложности и назначению литературных источников.
Предназначена в основном для студентов и преподавателей биологических, медицинских и сельскохозяйственных вузов.
Предисловие редактора перевода
Для современного естествознания наряду с углублением специализации характерно взаимопроникновение различных областей науки, которое привело, в частности, к возникновению дисциплин со смешанными — «двойными» и даже «тройными» — названиями: биофизика и биохимия, физико-химическая биология, бионеорганическая химия и т. д. В значительной мере перекрываются методы и объекты исследования молекулярной биологии, биохимии, биоорганической химии и ряда других смежных областей. Существенно, что все эти направления современной биологии широко используют подходы физической химии и физики. Это требует от специалиста в любой из указанных отраслей науки глубоких и разносторонних знаний в далеких на первый взгляд от биологии отраслях естествознания. Поэтому вполне естественно появление руководств типа «Физическая химия для биологов» или «Физика для медиков», в которых предприняты попытки доступно изложить основные положения смежных наук наряду с конкретными примерами практического использования физико-химических и физических методов при решении биологических проблем.
Предлагаемая вниманию читателей книга Р. Чанга «Физическая химия с приложениями к биологическим системам» отличается, с одной стороны, широким охватом многих (практически всех необходимых для биолога) разделов не только физической химии, но и физики, а с другой — успешной попыткой конкретного приложения различных формул и приемов для расчета типичных результатов биохимического эксперимента. Автор книги стремится представить конечные результаты в форме, удобной для непосредственного использования при практических расчетах. Этим объясняется большое внимание, уделяемое им размерностям и системам единиц, что совершенно необходимо для получения правильных численных результатов. Этой же цели подчинены многочисленные примеры подробных
Содержание
Предисловие редактора перевода ............... 5
Предисловие....................... 7
Глава 1. Введение..................... 11
1.1. Предмет физической химии.............. 11
1.2. Единицы измерения . . .............. 14
Сила...................... 16
Энергия..................... 16
Список литературы................. 16
Глава 2. Газовые законы................... 17
2.1. Температура................... 17
2.2. Закон Бойля — Мариотта.............. 18
2.3. Закон Шарля................... 19
2.4. Закон Авогадро . ................. 19
2.5. Уравнение состояния идеального газа.........20
2.6. Реальные газы................... 21
2.7. Конденсация газов и критическое состояние ....... 24
2.8. Закон парциальных давлений Дальтона........ 27
Задачи..................... 28
Список литературы ................. 29
ч
Глава 3. Кинетическая теория газов.............. 30
3.1. Модель..................... 30
3.2. Давление газа . . ................. 31
3.3. Кинетическая энергия и температура.......... 33
3.4. Распределение Максвелла.............. 34
3.5. Соударения молекул и средняя длина свободного пробега . 37
3.6. Вязкость газов.................. 39
3.7. Закон диффузии Грэма............... 42
3.8. Барометрическая формула.............. 43
3.9. Принцип равного распределения энергии по степеням свободы 45 Задачи...................... 47
Список литературы ................. 4§
Глава 4. Твердое состояние вещества..............50
4.1. Классификация кристаллических систем......... 50
4.2. Уравнение Брэгга................. 55
4.3. Определение структур методом дифракции рентгеновских лучей 57
4.4. Типы кристаллов.................. 64
Металлические кристаллы.............. 67
Ионные кристаллы................. 67
Ковалентные кристаллы............... 69
Молекулярные кристаллы.............. 70
Задачи..................... 70
Список литературы.................71
Глава 5. Жидкости.....................72
5.1. Структура жидкостей................ 72
5.2. Вязкость жидкостей................ 75
5.3. Поверхностное натяжение.............. 79
5.4. Диффузия.................... 84
5.5. Жидкие кристаллы................. 90
Задачи..................... 92
Список литературы.................93
Глава 6. Квантовая механика.................94
6.1. Волновая теория света.............. . 94
6.2. Квантовая теория Планка.............. 96
6.3. Фотоэлектрический эффект.............. 98
6.4. Соотношение де Бройля............... 100
6.5. Теория атомных спектров Бора............ 103
6.6. Волновое уравнение Шредингера........... 108
6.7. Принцип неопределенности Гейзенберга......... 109
6.8. Частица в одномерном потенциальном ящике....... 112
6.9. Квантовомеханический туннельный эффект........ 116
Задачи..................... 117
Список литературы.................118
Глава 7. Атомы и молекулы.................119
7.1. Атом водорода..................119
7.2. Атомные орбитали.................122
7.3. Многоэлектронные атомы и периодическая система элементов 125
7.4. Химическая связь.................130
7.5. Двухатомные молекулы...............134
Li2.......................134
В2.......................134
О2........................135
7.6. Электроотрицательность............... 138
7.7. Дшюльные моменты................ 139
7.8. Ионная связь................... 141
7.9. Гибридизация атомных орбиталей........... 143
Метан......................Г43
Этилен.....................145
Ацетилен.....................147
7.Ю. резонанс .,,,,,,.,.,,.,,,,,,.. 150
Содержание '57
7.11. Комплексы переходных металлов............154
Теория кристаллического поля.............157
Теория поля лигандов ...............159
Теория валентных схем...............160
Гемсодержащие .белки...............162
Задачи......................166
Список литературы.................167
Глава 8. Межмолекулярные силы...............169
8.1. Межмолекулярные взаимодействия..........169
Диполь-дипольные взаимодействия...........169
Взаимодействие между диполем и индуцированным диполем . 171 Дисперсионные, или лондоновские, силы........172
8.2. Водородная связь.................176
8.3. Структура и свойства воды............. 183
Структура льда......"............183
Структура воды..................185
Некоторые физико-химические свойства воды.......187
Задачи......................188
Список литературы.................189
Глава 9. Спектроскопия................... 191
9.1. Основные понятия.................191
Поглощение и излучение............... 191
Закон Бера....................191
Ширина линии и разрешение.............193
Единицы измерения................195
Интенсивность..................196
Правила отбора .................. 197
Классификация областей спектров...........198
9.2. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса......198
9.3. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса . . . 208
9.4. Микроволновая спектроскопия............210
9.5. Инфракрасная спектроскопия.............214
9.6. Электронная спектроскопия.............222
9.7. Флуоресценция и фосфоресценция...........228
9.8. Лазеры.....................231
Задачи......................235
Список литературы................236
Глава 10. Симметрия молекул и оптическая активность.......239
10.1. Симметрия молекул................239
Ось симметрии..................240
Плоскость симметрии................240
Центр симметрии.................240
Зеркально-поворотная ось..............240
10.2. Поляризованный свет и оптическое вращение......242
10.3. Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм . . . 247 Задачи ...................... 251
Список литературы.................251
Глава 11. Статистическая механика...............253
11.1. Понятие вероятности................253
11.2. Закон распределения Больцмана...........254
11.3. Энтропия....................258
11.4. Второй закон термодинамики.............262
Задачи...................... 264
Список литературы.................264
Глава 12. Термодинамика...................266
12.1. Работа и теплота..................266
12.2. Первый закон термодинамики.............269
12.3. Энтальпия.................... 270
12.4. Теплоемкость...................271
12.5. Расширение идеального газа............. 274
i Изотермическое обратимое расширение.........274
Адиабатическое обратимое расширение......... 276
12.6. Термохимия...................280
Стандартная энтальпия образования .......... 280
Закон Гесса...................281
Теплоты растворения................281
Энергии связей...................282
Зависимость теплового эффекта реакции от температуры . . 284
12.7. Второй закон термодинамики.............284
Обратимые и необратимые процессы..........285
Энтропия фазового перехода ............. 287
Энтропия смешения газов..............287
Формулировки второго закона термодинамики......288
Термодинамическая эффективность (коэффициент полезного действия) ............... ..... 289
12.8. Третий закон термодинамики.............292
Формулировка третьего закона термодинамики......293
Абсолютные энтропии и третий закон термодинамики .... 294
12.9. Свободная энергия Гиббса..............295
Зависимость G от температуры и давления.......300
12.10. Свободная энергия и фазовые равновесия........302
Равновесие жидкость — пар.............302
Равновесие жидкость — твердая фаза..........304
Равновесие твердая фаза — пар............305
Правило фаз...................305
12.11. Свободная энергия и химическое равновесие.......306
Уравнение Вант-Гоффа...............308
12.12. Биоэнергетика...................309
Стандартные состояния в растворах..........309
АТФ — энергетическая валюта в биологии........311
. Гликолиз ..... ................ 313
Применима ли в действительности термодинамика к биологии? 319 Задачи....................• 321
Список литературы.................324
Глава 13. Растворы неэлектролитов...............327
13.1. Давление пара раствора..............327
13.2. Растворимость газов................328
13.3. Диаграммы давление пара — состав двухкомпонентных систем 331
Диаграмма давление пара — состав.........'. . 331
Диаграмма температура — состав...........332
Азеотропные смеси.................333
13.4. Термодинамика растворов..............334
Идеальные растворы................334
Парциальные молярные величины...........336
Понятие активности................340
13.5. Химические равновесия в растворах.......... 342
13.6. Коллигативные свойства растворов..........343
Понижение давления пара..............343
Повышение точки кипения..............344
Понижение точки замерзания (плавления)........346
Осмотическое давление ............... 348
Задачи......................355
Список литературы......,..........356
Глава 14. Растворы электролитов................357
14.1. Электропроводность растворов............357
Степень диссоциации................361
Подвижность ионов.................362
Применение кондуктометрических измерений.......364
14.2. Ионы в водных растворах ..............366
14.3. Активности ионов.................370
14.4. Теория электролитов Дебая — Хюккеля.........373
Эффект высаливания................376
14.5. Коллигативиые свойства растворов электролитов.....379
Доннановское равновесие ............... 380
Диализ......................383
Активный транспорт................385
Задачи......................389
Список литературы.................390
Глава 15. Электрохимия...................392
15.1. Гальванические элементы..............392
15.2. Термодинамика гальванических элементов........394
15.3. Типы электродов..................396
Металлические электроды.............. 396
Электроды, образованные металлом и нерастворимой солью . 396
Газовый электрод.................3%
Стеклянный электрод................397
Каломельный электрод...............398
Ионоселективный электрод..............398
15.4. Электродный потенциал...............398
15.5. Температурная зависимость э. д. с............ 401
15.6. Электрохимия коррозионных процессов.........402
15.7. Типы гальванических элементов............403
Концентрационные элементы.............403
Топливные элементы................404
15.8. Применение измерений э^д. с.............405
Определение коэффициентов активности.........405
Измерение рН...................406
15.9. Потенциометрическое титрование окислительно-восстановительных реакций....................407
15.10. Биологическое окисление...............411
15.11. Мембранные потенциалы...............415
Задачи......................419
Список литературы.................420
Глава 16. Кислоты и основания................422
16.1. Определения кислот и оснований............422
16.2. Диссоциация кислот................423
16.3. Гидролиз солей..................428
16.4. Кислотно-основное титрование.............429
16.5. Двухосновные и многоосновные кислоты........432
16.6. Буферные растворы................436
16.7. Аминокислоты...................444
Диссоциация аминокислот..............446
Изоэлектрическая точка ............... 449
Титрование белков ................. 451
Задачи......................453
Список литературы.................454
Глава 17. Химическая кинетика................456
17.1 Различие между порядком реакции и молекулярностью . . . 456
17.2. Порядок реакции..............457
Реакции нулевого порядка . .... ........457
Реакции первого порядка .............. 458
Реакции второго порядка .............. 460
Определение порядка реакции...........462
17.3. Более сложные реакции..... ......465
Обратимые реакции...... . . .....465
Последовательные реакции...... .....466
Цепные реакции...... . ...... 468
17.4. Молекулярность реакции..... .....469
Мономолекулярные реакции............. 469
Бимолекулярные реакции . . ..'..-.........470
Тримолекулярные реакции...............471
17.5. Влияние температуры на скорость реакции.......471
17.6. Поверхности потенциальной энергии..........473
17.7. Теории скоростей реакций ... ,...,.,.. 476
Теория соударений.....*............475
Теория абсолютных скоростей реакций.........477
17.8. Кинетические изотопные эффекты...........480
17.9. Реакции в растворах................482
17.10. Быстрые реакции в растворах............. 484
Проточный метод.................486
Метод магнитного резонанса.............487
Релаксационные методы...............489
17.11. Ферментативный катализ...............491
Уравнение Михаэлиса — Ментен............492
а-Химотрипсин...................496
Ингибиторы ферментов...............499
Двухсубстратные системы..............502
Аллостеричность..................504
Влияние рН на кинетику ферментативных процессов .... 509 Задачи.....................510
Список литературы.................512
Глава 18. Фотохимия и фотобиология..............515
18.1. Введение.....................515
18.2. Фотохимия воздуха..................518
Тропосфера....................520
Стратосфера ...................522
Другие слои атмосферы...............525
18.3. Фотосинтез....................529
Молекулы хлорофилла...............530
Фотосистемы I и II................534
Биохимические реакции...............Б35
18.4. Зрение.....................538
Вращение вокруг одинарных и двойных углерод-углеродных
связей......................539
Механизм зрения.................542
18.5. УФ-облучение ДНК.................545
18.6. Хемилюминесценция и биолюминесценция........546
Задачи.....................548
Список литературы.................550
Глава 19. Макромолекулы..................553
19.1. Методы определения размеров, формы и молекулярной массы макромолекул ................... 553
Седиментация в ультрацентрифуге..........554
Вязкость.....................560
Электрофорез...................563
19.2. Стереохимия макромолекул..............567
Модель случайных блужданий............568
Белки......................572
19.3. Устойчивость белков в растворе............680
Цена: 300руб.
