dreapta stânga

Obiective de invatare

Înțelegeți relația dintre termochimie și nutriție.

Cantitățile termochimice pe care este probabil să le întâlniți cel mai frecvent sunt valorile calorice ale alimentelor. Alimentele furnizează materiile prime de care are nevoie corpul pentru a înlocui celulele și energia care le menține să funcționeze. Aproximativ 80% din această energie este eliberată sub formă de căldură pentru a vă menține temperatura corpului la un nivel durabil pentru a vă menține în viață. Caloriile nutriționale (cu majusculă C) pe care le vedeți pe etichetele alimentelor este egal cu 1 kcal (kilocalorie). Conținutul caloric al alimentelor este determinat din entalpia sa de ardere (combH pieptene) per gram, măsurată într-un calorimetru bombă, utilizând reacția generală

[mâncare + exces; O_ (g) dreapta CO_ (g) + H_ O (l) + N_ (g) etichetă]

Cu toate acestea, există două diferențe importante între valorile calorice raportate pentru alimente și pieptenele ΔH ale acelorași alimente arse într-un calorimetru. În primul rând, pieptenele Δ H descrise în jouli (sau kilojoule) sunt negative pentru toate substanțele care pot arde. În schimb, conținutul de calorii al unui aliment este întotdeauna exprimat ca un număr pozitiv, deoarece este energie stocată. Prin urmare,

[caloric; conținut = - etichetă Delta H_]

În al doilea rând, atunci când alimentele sunt arse într-un calorimetru, orice azot pe care îl conține (în principal din proteine, care este bogat în azot) se transformă în N2. Cu toate acestea, în organism, azotul din alimente este transformat în uree [(H 2 N) 2 C = O], mai degrabă decât N 2 înainte de a fi excretat.632,0 kJ/mol. În consecință, modificarea entalpiei măsurată prin calorimetrie pentru orice aliment care conține azot este mai mare decât cantitatea de energie pe care corpul ar obține-o din acesta. Diferența de valori este egală cu fagurele ΔH de uree înmulțit cu numărul de moli de uree care se formează atunci când mâncarea se strică. Acest punct este ilustrat schematic în următoarele ecuații:

[mâncare + exces; O_ stânga (g dreapta) xrightarrow [] < Delta H_ H son ​​negativos y, según la ley de Hess, Δ H 3 = Δ H 1 + Δ H 2 . La magnitud de Δ H 1 debe ser menor que Δ H 3, el Δ medido calorimétricamente [ 19459014] peine para un alimento. Al producir urea en lugar de N 2, por lo tanto, los humanos están excretando parte de la energía que se almacenaba en sus alimentos.

Datorită diferitelor compoziții chimice, alimentele variază mult în ceea ce privește conținutul caloric. După cum am văzut mai devreme, de exemplu, un acid gras ca acidul palmitic produce aproximativ 39 kJ/g în timpul arderii, în timp ce un zahăr precum glucoza produce 15,6 kJ/g. Acizii grași și zaharurile sunt elementele constitutive ale grăsimilor și, respectiv, carbohidraților, două dintre principalele surse de energie din dietă. Nutriționiștii atribuie în general valori medii de 38 kJ/g (aproximativ 9 Cal/g) și 17 kJ/g (aproximativ 4 Cal/g) pentru grăsimi și respectiv carbohidrați, deși valorile reale pentru anumite alimente variază din cauza diferențelor în compoziție. Proteinele, a treia sursă principală de calorii din dietă, variază, de asemenea. Proteinele sunt alcătuite din aminoacizi, care au următoarea structură generală:

Structura generală a unui aminoacid. Un aminoacid conține o grupare amină (-NH2) și o grupă acid carboxilic (-CO2H).

Pe lângă componentele lor de amino și acid carboxilic, aminoacizii pot conține o gamă largă de alte grupe funcționale: R poate fi hidrogen (–H); o grupare alchil (de exemplu, -CH3); o grupare arii (de exemplu -CH2C6H5); sau o grupare alchil substituită care conține o amină, un alcool sau un acid carboxilic (Figura (PaginaIndex)). Dintre cei 20 de aminoacizi naturali, 10 sunt necesari în dieta umană; Acești 10 sunt numiți aminoacizi esențiali, deoarece corpurile noastre nu le pot sintetiza din alți compuși. Deoarece R poate fi oricare dintre mai multe grupuri diferite, fiecare aminoacid are un pieptene ΔH diferit. Se estimează, în general, că proteinele au un pieptene ΔH mediu de 17 kJ/g (aproximativ 4 Cal/g).

Figura (PageIndex): Structurile a 10 aminoacizi. Aminoacizii esențiali din această grupă sunt indicați printr-un asterisc.

Calculați cantitatea de energie disponibilă obținută din oxidarea biologică a 1.000 g de alanină (un aminoacid). Amintiți-vă că produsul care conține azot este ureea, nu N2, deci oxidarea biologică a alaninei va produce mai puțină energie decât arderea. Valoarea pieptenei ΔH pentru alanină este de -1577 kJ/mol.

Zaruri: aminoacid și combH pieptene pe mol

Întrebat de: conținut caloric per gram

Scrieți ecuații chimice echilibrate pentru oxidarea alaninei la CO 2, H 2 O și uree; arderea ureei; și arderea alaninei. Înmulțiți ambele părți ale ecuațiilor cu factori corespunzători și apoi rearanjați-le pentru a anula ureea de pe ambele părți când se adaugă ecuațiile.

Utilizați legea lui Hess pentru a obține o expresie pentru ΔH pentru oxidarea alaninei în uree în termeni de pieptene ΔH de alanină și uree. Înlocuiți valorile corespunzătoare ale pieptenei ΔH în ecuație și rezolvați pentru ΔH oxidarea alaninei la CO 2, H 2 O și uree.

Calculați cantitatea de energie eliberată per gram împărțind valoarea lui ΔH la masa molară a alaninei.

Energia reală disponibilă biologic a alaninei este mai mică decât pieptenei sale ΔH datorită producției de uree în loc de N2. Cunoaștem valorile pieptenei ΔH pentru alanină și uree, deci putem folosi legea lui Hess pentru a calcula ΔH pentru oxidarea alaninei la CO 2, H 2 O și uree.

LA Începem prin a scrie ecuații chimice echilibrate pentru (1) oxidarea alaninei la CO 2, H 2 O și uree; (2) arderea ureei; și (3) arderea alaninei. Deoarece alanina conține un singur atom de azot, în timp ce ureea și N2 conțin fiecare doi atomi de azot, este mai ușor să echilibrăm ecuațiile 1 și 3 dacă le scriem pentru oxidarea a 2 mol de alanină: [19459016]

[stânga (1 dreapta); 2C_ H_ NO_ left (s right) + 6O_ left (g right) rightarrow 5CO_ left (g right) + 5H_ O left (l right) + left (H_ N right) _ C = O left (s right)]

[stânga (2 dreapta); stânga (H_ N dreapta) _ C = O stânga (s dreapta) + dfrac O_ stânga (g dreapta) dreapta dreapta CO_ stânga (g dreapta) + 2H_ O stânga (l dreapta) + N_ stânga (g dreapta)]

[stânga (3 dreapta); stânga (1 dreapta); 2C_ H_ NO_ left (s right) + dfrac O_ left (g right) rightarrow 6CO_ left (g right) + 7H_ O left (l right) + N_ left (g right)]

Adăugând ecuațiile 1 și 2 și anulând ureea din ambele părți, obțineți ecuația chimică generală direct:

[stânga (1 dreapta); 2C_ H_ NO_ stânga (s dreapta) + 6O_ stânga (g dreapta) dreapta 5CO_ stânga (g dreapta) + 5H_ O stânga (l dreapta) + anulați < left (H_ N right) _ C = O left (s right)> ]

[Anulare < left (2 right); left (H_ N right) _ C = O left (s right)> + dfrac O_ stânga (g dreapta) dreapta CO_ < 2>stânga (g dreapta) + 2H_ O stânga (l dreapta) + N_ stânga (g dreapta)]

[stânga (3 dreapta); stânga (1 dreapta); 2C_ H_ NO_ left (s right) + dfrac O_ left (g right) rightarrow 6CO_ left (g right) + 7H_ O left (l right) + N_ left (g right)]

B Conform legii lui Hess, Δ H 3 = Δ H 1 + Δ H 2. Știm că Δ H 3 = 2Δ H pieptene (alanină), Δ H 2 = Δ H pieptene (uree) și Δ H 1 = 2Δ H (alanine → uree). Rearanjați și înlocuiți valorile corespunzătoare

[= 2 stânga (-1577; kJ/mol dreapta) - stânga (-632,0; kJ/mol dreapta)] = -2522; kJ/stânga (2; mol; analină dreapta)]

Astfel Δ H (alanină → uree) = −2522 kJ/(2 mol alanină) = −1261 kJ/mol alanină. Prin urmare, oxidarea alaninei în uree în loc de azot produce o scădere de aproximativ 20% a cantității de energie eliberată (-1261 kJ/mol față de -1577 kJ/mol).

C Energia eliberată per gram de oxidarea biologică a alaninei este

Aceasta este egală cu -3,382 Cal/g.

Calculați energia eliberată per gram de la oxidarea valinei (un aminoacid) la CO 2, H 2 O și uree. Raportați răspunsul dvs. la trei cifre semnificative. Valoarea pieptenei ΔH pentru valină este -2922 kJ/mol.

−22,2 kJ/g (−5,31 Cal/g)

Conținutul caloric raportat al alimentelor nu include pieptene ΔH pentru acele componente care nu sunt digerate, cum ar fi fibrele. De asemenea, carnea și fructele sunt 50% -70% apă, care nu pot fi oxidate de O 2 pentru energie. Deci apa nu conține calorii. Unele alimente conțin cantități mari de fibre, care este alcătuită în mare parte din zaharuri. Deși fibrele pot fi arse într-un calorimetru la fel ca glucoza în dioxid de carbon, apă și căldură, oamenilor le lipsește enzimele necesare pentru a descompune fibrele în molecule mai mici care pot fi oxidate. Prin urmare, fibrele nu contribuie nici la conținutul caloric al alimentelor.