KMA/MM. Chemické reakce.

Podobné dokumenty
časovém horizontu na rozdíl od experimentu lépe odhalit chybné poznání reality.

Chemická kinetika. Chemické změny probíhající na úrovni atomárně molekulové nazýváme reakční mechanismus.

IV117: Úvod do systémové biologie

Reakční kinetika. Nauka zabývající se rychlostí chemických reakcí a ovlivněním rychlosti těchto reakcí

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

Vyšší odborná škola, Obchodní akademie a Střední odborná škola EKONOM, o. p. s. Litoměřice, Palackého 730/1

Soustavy lineárních rovnic

Obsah Chemická reakce... 2 PL:

OBECNÁ CHEMIE. Kurz chemie pro fyziky MFF-UK přednášející: Jaroslav Burda, KChFO.

Greenova funkce pro dvoubodové okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Diferenciální rovnice 1

Parametrické rovnice křivky

Numerická matematika 1

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

Diferenciální rovnice 3

Zákony ideálního plynu

U Úvod do modelování a simulace systémů

Úpravy chemických rovnic

Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: =, 0 = 1 = 1. ln = +,

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

Přírodní vědy - Chemie vymezení zájmu

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

1 Determinanty a inverzní matice

ZÁKLADNÍ CHEMICKÉ VÝPOČTY

Matematika. Kamila Hasilová. Matematika 1/34

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

9. cvičení z Matematické analýzy 2

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

0.1 Úvod do lineární algebry

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

AVDAT Nelineární regresní model

Modelování a simulace Lukáš Otte

MODELOVÁNÍ. Základní pojmy. Obecný postup vytváření induktivních modelů. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. y + y = 4 sin t.

Základy vakuové techniky

Termochemie. Verze VG

0.1 Úvod do lineární algebry

Kolik existuje různých stromů na pevně dané n-prvkové množině vrcholů?

LOGO. Struktura a vlastnosti plynů Ideální plyn

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Matematika B101MA1, B101MA2

Teorie měření a regulace

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Energie v chemických reakcích

Rychlost chemické reakce A B. time. rychlost = - [A] t. [B] t. rychlost = Reakční rychlost a stechiometrie A + B C; R C = R A = R B A + 2B 3C;

MATEMATIKA V MEDICÍNĚ

- funkce, které integrujete aproximujte jejich Taylorovými řadami a ty následně zintegrujte. V obou případech vyzkoušejte Taylorovy řady

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

M - Příprava na 1. zápočtový test - třída 3SA

Základy matematiky pro FEK

Úvodní informace Soustavy lineárních rovnic. 12. února 2018

Teplo, práce a 1. věta termodynamiky

1 Modelování systémů 2. řádu

Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

Skalární a vektorový popis silového pole

Fyzikální chemie Úvod do studia, základní pojmy

Aplikovaná numerická matematika

Lineární zobrazení. 1. A(x y) = A(x) A(y) (vlastnost aditivity) 2. A(α x) = α A(x) (vlastnost homogenity)

Diferenciální rovnice

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Dynamika vázaných soustav těles

stechiometrický vzorec, platné číslice 1 / 10

Inverzní Laplaceova transformace

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

9. Chemické reakce Kinetika

Jméno autora: Mgr. Ladislav Kažimír Datum vytvoření: Číslo DUMu: VY_32_INOVACE_11_Ch_OB Ročník: I. Vzdělávací oblast: Přírodovědné

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

SADA VY_32_INOVACE_CH2

Co je obsahem numerických metod?

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

1/15. Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Markovské metody pro modelování pravděpodobnosti

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

IB112 Základy matematiky

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

PŘÍKLAD PŘECHODNÝ DĚJ DRUHÉHO ŘÁDU ŘEŠENÍ V ČASOVÉ OBLASTI A S VYUŽITÍM OPERÁTOROVÉ ANALÝZY

Cvičení 5 - Inverzní matice

Úvod do lineární algebry

Řetězovka (catenary)

Teorie transportu plynů a par polymerními membránami. Doc. Ing. Milan Šípek, CSc. Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

M - Příprava na pololetní písemku č. 1

Soustavy rovnic pro učební obor Kadeřník

Ch - Chemické reakce a jejich zápis

Tento dokument obsahuje zadání pro semestrální programy z PAA. Vypracování. vypracovanou úlohu podle níže uvedených zadání. To mimo jiné znamená, že

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

Transkript:

Zápočtová práce z předmětu Matematické modelování KMA/MM Chemické reakce Jméno a příjmení: Hana Markuzziová Studijní číslo: A06070 Email: hmarkuzz@students.zcu.cz

Obsah 1 Úvod 3 2 Chemické rovnice 3 3 Soustava chemických rovnic 5 4 Enzymy 7 5 Závěr 10 2

1 Úvod Chemická reakce je proces vedoucí ke změně chemické struktury chemických látek. Látky, které do reakce vstupují nazýváme reaktanty, látky z reakce vystupující jsou produkty. Při tomto procesu dochází ke změnám v rozmístění elektronové hustoty v molekule. Zjednodušeně řečeno dochází k zániku a vzniku chemických vazeb. Chemické reakce popisujeme pomocí chemických rovnic. Může se jednat o jednu rovnici, soustavu chemických rovnic nebo reakční schémata. Reaktanty zapisujeme na levou stranu, produkty na pravou stranu rovnice. Obě části spojujeme šipkou ve směru probíhajícího děje nebo dvěma protisměrnými šipkami zapisovanými nad sebou v případě obousměrných reakcí. Pro chemické reakce platí zákon o působení hmoty. Zákon o působení hmoty: Rychlost chemické reakce je v každém okamžiku úměrná molární koncentraci reagujících látek. Molární koncentrace je počet molekul v jednotce objemu dělený Avogadrovým číslem. Protože během reakce musí být zachována hmotnost, rovnice vyčíslujeme a to vždy tak, aby počet atomů daného prvku na jedné straně se rovnal počtu atomů téhož prvku na druhé straně rovnice. Čísla, která při tom používáme a zapisujeme před sloučeniny se nazývají stechiometrické koecicienty. 2 Chemické rovnice Předpokládejme, že máme dvě chemické látky (molekuly, ionty) A a B, které spolu reagují a vzniká C, tedy A + B k C (1) k je rychlostní konstanta, která závisí na mnoha faktorech, především na teplotě. Pro jednoduchost bude v dalším textu značena koncentrace stejně jako chemická látka. Zákon o působení hmoty říká, že časová změna koncentrace produktu C je přímo úměrná součinu koncentrací A a B s konstantou úměrnosti k. = kab (2) dt Podobné vztahy můžeme psát i pro reaktanty A a B. da dt = kab (3) 3

db dt = kab (4) Při takovémto přepisu však musíme brát zřetel na několik věcí. - Pokud nejsou látky dostatečně promíseny, zákon o působení hmoty nemusí platit přesně - Jesliže máme v reakci malé množství molekul, je lepší použít jiný model. Diferenciální rovnice platí jen při velkých koncentracích částich v malém objemu. - Je-li v reakci použit katalyzátor, pak zdvojnásobení koncentrace reaktantů neznamená dvakrát rychlejší reakci. Rovnici (2) můžeme řešit analyticky. Každý reaktant, původní i přeměněný na produkt, je zachován do doby, než se jedna molekula každého reaktantu přemění na jednu molekulu produktu. Proto d dt (A + C) = 0 A + C = A 0 (5) d dt (B + C) = 0 B + C = B 0 (6) kde A 0 a B 0 jsou počáteční koncentrace reaktantů. Pro každé řešení jsou konstantní. Pokud tyto konstanty známe, stačí nám řešit pouze jednu rovnici. S použitím (2) dostaneme rovnici dt = k(a 0 C)(B 0 C) s počáteční podmínkou C(0) = 0 (7) Řešení lze získat separací proměnných. Po úpravách vyjde C(t) = A 0 B 0 e (B 0 A 0 )kt 1 B 0 e (B 0 A 0 )kt A 0 (8) Pokud limitujeme tento vztah pro čas jdoucí do nekonečna dostáváme lim t C(t) = A 0 pokud A 0 < B 0 lim t C(t) = B 0 pokud B 0 < A 0 To nám říká, že se reakce zastaví, pokud je jeden z reaktantů vyčerpán a že konečná koncentrace produktu je rovna počáteční koncentraci vyčerpaných 4

reaktantů. Přidáme-li i opačnou reakci A + B pak diferenciální rovnice přejde do tvaru k + C (9) k dt = k +AB k C (10) Při rovnosti dt = 0 a s využitím vztahů A + C = A 0 a B + C = B 0 dostaneme (A 0 C)(B 0 C) k k + C = 0 (11) k Podíl k + si nadefinujeme jako konstantu K eq. Po úpravách dostaneme kvadratickou rovnici C 2 (A 0 + B 0 + K eq )C + A 0 B 0 = 0 (12) s podmínkou, že 0 < C < min(a 0, B 0 ). Pokud například A 0 = B 0 R 0 pak je řešením rovnice C = R 0 1 2 K eq[ 3 Soustava chemických rovnic 1 + 4 R 0 K eq 1] (13) Soustavy chemických rovnic jsou dalším způsobem, jak můžeme popsat chemickou reakci. Příkladem reakce, kterou lze tímto způsobem popsat je reakce vodíku s kyslíkem 2H + O H 2 O (14) Předpokládejme, že máme množinu m molekul M = {M 1, M 2,..., M m } Molekulou v tomto případě mohou být ionty, atomy, molekuly nebo proteiny. Pro rovnici (14) bude množina vypadat M = {H, O, H 2 O} Dále definujeme množinu reakcí { m R = α ij M i i=1 } m β ij M i j = 1,..., r i=1 5

kde α ij je počet molekul M i, který reaguje v j-té reakci β ij je počet molekul M i, které vzniknou v j-té reakci. α a β jsou stechiometrické koeficienty. Pro reakci (14) dostaneme R1 : 2H + O H 2 O R2 : H 2 O 2H + O Stechiometrické koeficienty budou: α 11 = 2, α 12 = 1, α 13 = 0, β 11 = 0, β 12 = 0, β 13 = 1, α 21 = 0, α 22 = 0, α 23 = 1, β 21 = 2, β 22 = 1, β 23 = 0 Pro přehlednost se stechiometrické koeficienty zapisují do matice, která má tolik sloupců, kolik je reakcí. Prvky matice Γ, jsou definovány následovně Γ ij = β ij α ij, i = 1,..., r, j = 1,..., s V matici máme shrnuty informace dané grafickým zápisem chemické rovnice. Pro (14) dostaneme 2 2 Γ = 1 1 1 1 Nyní popíšeme jak se mění stav systému rovnic v čase. Vektorem x 1 (t) x 2 (t) x(t) =. x m (t) vyjádříme koncentraci molekul v čase. Z fyzikálního hlediska musí vektor obsahovat jen kladné hodnoty, hodnota nula znamená, že molekula není zastoupena. Dále budeme potřebovat vektor rychlostních konstant jednotlivých reakcí k 1 k 2 k =. k r Pomocí koncentrace a rychlostní konstanty popíšeme i-tou reakci R i = k i m 6 i=1 x α ij i

Rovnice nám říká, že rychlost reakce je přímo úměrná součinu koncentrací reaktantů. Pokud je v reakci potřeba více molekul vyjádříme tuto skutečnost vyšším exponentem. Celý systém reakcí pak můžeme vyjádřit R = Nyní již máme vše potřebné k vyjádření diferenciální rovnice popisující soustavu chemických rovnic. d x(t) = ΓR (15) dt 4 Enzymy Enzymy jsou jednoduché či složené bílkoviny, které katalyzují chemické přeměny v živých organismech. Jsou nepostradatelné především při metabolických procesech a jsou jedny z nejdůležitějších v živých organismech. Pomáhají měnit molekuly zvané substráty na produkty, ale samy nejsou reakcí změněny. Například hemoglobin v červených krevních destičkách je enzym a kyslík je substrát. V organismu je asi 3000 různých druhů enzymů. Jedna ze základních enzymatických reakcí, obsahuje substrát S reagující s enzymem E a vytvářející komplex C, který je poté přeměněn na produkt P a enzym. Schématicky rovnici reprezentujeme: S + E R 1 R 2. R r k 1 k C 2 P + E (16) k 1 Aplikací zákona o působení hmoty dostaneme pro každý reaktant jednu rovnici a tudíž systém nelineárních rovnic ds dt = k 1C k 1 SE (17) de dt = (k 1 + k 2 )C k 1 SE (18) dt = k 1SE (k 1 + k 2 )C (19) dp dt = k 2C (20) Aby matematická formulace byla úplná přidáme počáteční podmínky. S(0) = S 0, E(0) = E 0, C(0) = 0, P (0) = 0 (21) 7

Obrázek 1: Numerické řešení S(plná křivka) a C(čárkovaná křivka) rovnice (16) pro k 1 = 10, k 1 = 1, k 2 = 10, S 0 = 1, E 0 = 5 Při řešení rovnic si můžeme usnadnit práci využitím několika pozorování. Protože proměnná P není obsažena v žádné rovnici kromě poslední, můžeme rovnici vynechat a až spočítáme C, vyjádříme P integrací C. Dále pak z druhé a třetí rovnice vidíme, že jejich součet je roven nule. Z počátečních podmínek pak můžeme psát, že Dosazením vztahu do rovnic dostaneme de dt + dt = 0 (22) E(t) + C(t) = E 0 (23) ds dt = k 1C k 1 S(E 0 C) (24) dt = k 1S(E 0 C) (k 1 + k 2 )C (25) Zůstali nám jen dvě rovnice, které již lze jednodušše řešit. Spíše než jejich přímé řešení se rovnice aproximují, tak, abychom dostali pouze jednu rovnici. Při větším množství rovnic se nám touto úpravou může výrazně 8

snížit dimenze. Navíc může být nemožné nebo složité určit konstanty k i, ale konstanty v redukovaném modelu lze jednodušše zjistit. Druhou rovnici si vyjádříme ve tvaru kde dt = k 1[SE 0 (K M + S)C] (26) K M = k 1 + k 2 k 1 (27) je nazývána Michaelisova konstanta. Michaelisova konstanta odpovídá takové koncentraci substrátu, při níž je dosaženo počáteční reakční rychlosti, rovnající se polovině rychlosti maximální. Obrázek 2: Závislost počáteční reakční rychlosti na koncentraci substrátu Aproximace spočívá v položení Řešením algebraické rovnice dt = 0 (28) SE 0 (K M + S)C = 0 (29) dostaneme pro C C = SE 0 K M + S Nyní můžeme C použít k řešení rovnice produktu dp dt = k 2C = V maxs K M + S (30) (31) 9

Substitucí C do první rovnice dostaneme ds dt = k SE 0 1 K M + S k 1S(E 0 SE 0 K M + S ) = V maxs K M + S (32) kde V max = k 2 E 0 (33) je maximální rychlost. V praxi tyto rovnice fungují dobře, ale podíváme-li se na ně z matematického hlediska, objeví se problém. Pokud pokládáme dt = 0 (34) znamená to, že C je konstanta. Pak ale z rovnice (30) vyplývá, že S musí být také konstanta. Takže derivace Pokud ds dt = 0 (35) V max S K M + S = ds dt = 0 (36) znamená to, že S = 0. Dospěli jsme k závěru, že do reakce nevstupuje žádný substrát a rovnice je pravdivá, pokud nedochází k žádné reakci. Jedním ze způsobů, jak tento jev ospravedlnit, je tento. Ve vhodných podmínkách se S mění mnohem pomaleji než C. Takže pokud se C účastní, předpokládáme, že S je konstantní. Pak rovnice pro C přejde na linerání rovnici, která konverguje k ustálenému stavu danému (30). Pokud se naopak mění S, změna C je velmi rychlá, takže je formule vždy platná. 5 Závěr V rámci zápočtové práce byly popsány způsoby převodu chemických rovnic na diferenciální rovnice a matematické prostředky pro vyjádření soustav chemických rovnic. Dále byly zmíněny jedny z nejdůležitější reakcí - enzymatické reakce. 10

Reference [1] Sontag, Eduardo D.: Lecture Notes in Mathematical Biology, Rutgers University, 2006 [2] Chasnov, J. R.: Mathematical Biology, Hong Kong University of Science and Technology, 2006 [3] Kazanci, Caner: Biochemical Reactions Systems, University of Georgia, 2006 [4] Murray, J.D. Mathematical Biology I: An Introduction 3rd Edition, Springer, 2002 11