We are searching data for your request:
Upon completion, a link will appear to access the found materials.
Kimyasal reaksiyonlarda enerji
Kimyasal reaksiyonlar, reaksiyona giren kimyasallar içinde ve çevreleriyle enerjinin yeniden dağılımını içerir. Bu nedenle, beğenin ya da beğenmeyin, enerjinin bir sistemde nerede olduğunu (belki de nasıl "depolandığını"/dağıtıldığını) ve bir reaksiyonda nasıl hareket ettirilebileceğini tanımlamamıza yardımcı olabilecek bazı modeller geliştirmemiz gerekiyor. Geliştirdiğimiz modeller, teknik detay seviyeleri ile sıkı bir kimyager veya fizikçiyi tatmin edecekleri anlamında aşırı ayrıntılı olmayacak, ancak yine de teknik olarak doğru olmalarını ve bunu yapacak yanlış zihinsel modeller oluşturmamalarını bekliyoruz. "incelemeleri" daha sonra anlamak zor.
Bu bağlamda, anlaşılması gereken anahtar kavramlardan biri, bir sistemin parçaları arasında transfer edilen enerji hakkında düşüneceğimizdir. Bunu dönüştürülmüş olarak düşünmemeye çalışacağız. "Transfer" ve "dönüşüm" arasındaki ayrım önemlidir. İkincisi, enerjinin farklı şekillerde var olan bir özellik olduğu, bir şekilde yeniden şekillendiği izlenimini veriyor. "Dönüştürme" diliyle ilgili bir sorun, sürekli form değiştiriyorsa enerjinin korunduğu (termodinamiğin birinci yasasına göre) fikriyle uzlaştırmanın zor olmasıdır. Varlık artık aynı şey değilse nasıl korunabilir? Dahası, termodinamiğin ikinci yasası bize hiçbir dönüşümün bir sistemdeki tüm enerjiyi korumadığını söyler. Eğer enerji "dönüştürülüyorsa" nasıl korunabilir?
Bunun yerine, bir sistemin farklı parçaları arasında enerjiyi transfer ederek ve depolayarak bu konuya yaklaşacağız ve böylece enerjiyi yeniden dağıtılabilen bir özellik olarak düşüneceğiz. Bu, umarım enerjinin muhasebesini kolaylaştırır.
DİKKAT:
Bir sistemin bir bölümünden diğerine enerji aktarmayı düşüneceksek, şunlara da dikkat etmemiz gerekir. OLUMSUZ enerjiyi bir sıvı ya da "şey" gibi hareket eden bir madde gibi ele almak. Aksine, enerjiyi basitçe ölçülebilen ve yeniden düzenlenebilen bir sistemin bir özelliği olarak değerlendirmemiz gerekir, ancak bu ne bir "şey" ne de bir anda bir biçimde sonra başka bir biçimde olan bir şeydir.
Genellikle biyomoleküllerin dönüşümleriyle uğraşacağımızdan, bu sistemlerde enerjinin nerede bulunabileceğini/depolanabileceğini düşünerek başlayabiliriz. Birkaç fikirle başlayacağız ve daha sonra onlara daha fazlasını ekleyeceğiz.
Enerjinin depolanabileceği bir yerin maddenin hareketi olduğunu varsayalım. Kısaca, harekette depolanan enerjiye bir isim vereceğiz: kinetik enerji. Biyolojideki moleküller sürekli hareket halindedir ve bu nedenle kendileriyle ilişkili belirli bir miktarda kinetik enerjiye (hareket halinde depolanan enerji) sahiptir.
Ayrıca biyomoleküllerin kendilerinde depolanan belirli bir miktarda enerji olduğunu ve bu moleküllerde depolanan enerji miktarının, moleküllerdeki atomların türleri ve sayıları ve bunların organizasyonu (arasındaki bağların sayısı ve türleri) ile ilişkili olduğunu öne sürelim. onlara). Moleküllerde enerjinin tam olarak nerede depolandığı tartışması bu sınıfın kapsamı dışındadır, ancak bağlarda iyi bir vekil olduğunu öne sürerek buna yaklaşık olarak yaklaşabiliriz. Farklı bağ türleri, farklı miktarlarda enerjinin depolanmasıyla ilişkilendirilebilir. Bazı bağlamlarda, bu tür enerji depolaması şu şekilde etiketlenebilir: potansiyel enerji veya kimyasal enerji. Bu görüşe göre, kimyasal bir reaksiyonda bağların yapılması ve kırılması sırasında meydana gelen şeylerden biri, sistemdeki enerjinin farklı bağ türlerine aktarılmasıdır. Bir Enerji Öyküsü bağlamında (başka bir modülde yer alan bir konu), tepkenlerin bağlarında ve hareketinde depolanan enerji miktarı ve ürünlerin bağlarında depolanan enerji ve enerji teorik olarak sayılabilir.
Bazı durumlarda, ürünlerde depolanan enerji ile tepkenlerde depolanan enerjiyi topladığınızda bu toplamların eşit olmadığını görebilirsiniz. Reaktanlardaki enerji ürünlerdekinden daha büyükse, bu enerji nereye gitti? Başka bir şeye aktarılması gerekiyordu. Bazıları kesinlikle sistemin diğer kısımlarına taşınmış, diğer moleküllerin hareketinde (çevreyi ısıtarak) veya belki de ışık fotonlarıyla ilişkili enerjide depolanmış olacaktır. İyi, gerçek hayattan bir örnek, ahşap ve oksijen (reaktanlar) arasındaki kimyasal reaksiyon ve bunun karbondioksit ve suya (ürünler) dönüşümüdür. Başlangıçta, sistemdeki enerji büyük ölçüde oksijen ve ahşabın (reaktanlar) moleküler bağlarındadır. Karbondioksit ve suda (ürünlerde) hala enerji var, ancak başlangıçta olduğundan daha az. Hepimiz bu enerjinin bir kısmının ışık ve ısıdaki enerjiye aktarıldığını takdir ediyoruz. Enerjinin çevreye aktarıldığı bu reaksiyona denir. ekzotermik. Buna karşılık, bazı reaksiyonlarda, enerji ortamdan aktarılacaktır. Bu reaksiyonlar endotermik.
Bir reaksiyonun kendiliğinden olup olmayacağını belirleyen tek şey, reaksiyonun içine veya dışına çevreden enerji aktarımı DEĞİLDİR. Bunu yakında tartışacağız. Şu an için, bir reaksiyon sırasında enerjinin bir sistemin farklı bileşenleri arasında aktarılabileceği ve bunu takip etmeyi tasavvur edebilmeniz gerektiği fikrine alışmak önemlidir.
Enerji ve Kimyasal Reaksiyonlar# - Biyoloji
Bilim adamları, hücreler gibi canlı sistemler yoluyla enerji akışı kavramını (Şekil 1) tanımlamak için biyoenerjetik terimini kullanırlar. Karmaşık moleküllerin inşası ve parçalanması gibi hücresel süreçler, aşamalı kimyasal reaksiyonlar yoluyla gerçekleşir. Bu kimyasal reaksiyonların bazıları kendiliğinden gerçekleşir ve enerji açığa çıkar, diğerleri ise ilerlemek için enerjiye ihtiyaç duyar.
Şekil 1. Sonuç olarak, çoğu yaşam formu enerjisini güneşten alır. Bitkiler güneş ışığını yakalamak için fotosentez kullanır ve otoburlar enerji elde etmek için bitkileri yerler. Etoburlar otoburları yerler ve sonunda bitki ve hayvan materyalinin ayrışması besin havuzuna katkıda bulunur.
Canlıların enerji kaynaklarını yenilemek için sürekli olarak besin tüketmesi gerektiği gibi, hücreler de sürekli olarak meydana gelen enerji gerektiren birçok kimyasal reaksiyon tarafından kullanılan enerjiyi yenilemek için sürekli olarak daha fazla enerji üretmelidir. Enerji tüketen veya üretenler de dahil olmak üzere hücrelerin içinde meydana gelen kimyasal reaksiyonların tümüne birlikte, hücrenin metabolizması denir.
Öğrenme Çıktıları
- Farklı metabolik yol türlerini tanımlayın
- Açık ve kapalı sistem arasında ayrım yapın
- Termodinamiğin birinci yasasını belirtin
- Termodinamiğin ikinci yasasını belirtin
- Kinetik ve potansiyel enerji arasındaki farkı açıklayınız
- Endergonik ve ekzergonik reaksiyonları açıklayın
- Enzimlerin moleküler katalizörler olarak nasıl işlev gördüğünü tartışın
Bu karınca takımı ölü bir ağacı yıkıyor. Klasik bir ekip çalışması örneği. Ve tüm bu işler enerji alır. Aslında, her bir kimyasal reaksiyon - bu karıncalardaki hücrelerin aşağıdakileri yapmasına izin veren kimyasal reaksiyonlar İş - başlamak için enerjiye ihtiyacı var. Ve tüm bu enerji, karıncaların yediği yiyeceklerden gelir. Karıncaları ne yiyorsa, enerjilerini karıncalardan alır. Enerji bir ekosistemden sadece bir yönde geçer.
Kimyasal reaksiyonlar her zaman enerji içerir. Enerji iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanan maddenin bir özelliğidir. Örneğin metan yandığında ısı ve ışık şeklinde enerji açığa çıkarır. Diğer kimyasal reaksiyonlar, enerjiyi serbest bırakmak yerine emer.
Ekzotermik Reaksiyonlar
Enerji (ısı olarak) açığa çıkaran kimyasal reaksiyona denir. egzotermik reaksiyon. Bu tür bir reaksiyon, genel bir kimyasal denklemle temsil edilebilir:
Reaktanlar &rarr Ürünler + Isı
Metan yanmasına ek olarak, ekzotermik reaksiyonun başka bir örneği de klorun sodyum ile birleşerek sofra tuzu oluşturmasıdır. Bu reaksiyon da enerji açığa çıkarır.
Endotermik Reaksiyon
Enerji emen kimyasal tepkimelere denir. endotermik reaksiyon. Bu tür bir reaksiyon, genel bir kimyasal denklemle de temsil edilebilir:
Reaktantlar + Isı & rarr Ürünleri
Hiç kimyasal soğuk paket kullandınız mı? Paket, endotermik bir reaksiyon nedeniyle soğur. Paketin içindeki bir tüp kırıldığında, paketin içindeki suyla reaksiyona giren bir kimyasal açığa çıkarır. Bu reaksiyon, ısı enerjisini emer ve paketi hızla soğutur.
Aktivasyon Enerjisi
Tüm kimyasal reaksiyonlar başlamak için enerjiye ihtiyaç duyar. Enerji açığa çıkaran tepkimelerin bile başlaması için bir enerji artışına ihtiyacı vardır. Bir kimyasal tepkimeyi başlatmak için gereken enerjiye ne denir aktivasyon enerjisi. Aktivasyon enerjisi, bir çocuğun oyun alanı kaydırağından aşağı inmeye başlaması için ihtiyaç duyduğu itme gibidir. İtme, çocuğa hareket etmeye başlaması için yeterli enerji verir, ancak bir kez başladığında, tekrar itilmeden hareket etmeye devam eder. Aktivasyon enerjisi gösterilmektedir Figür aşağıda.
Aktivasyon Enerjisi. Aktivasyon enerjisi, bir kimyasal reaksiyonu başlatmak için gereken "itme"yi sağlar. Bu şekildeki kimyasal reaksiyon ekzotermik mi yoksa endotermik mi?
Neden tüm kimyasal reaksiyonlar başlamak için enerjiye ihtiyaç duyar? Reaksiyonların başlayabilmesi için, reaktan moleküllerin birbirine çarpması gerekir, bu nedenle hareket etmeleri gerekir ve hareket enerji gerektirir. Tepkimeye giren moleküller birbirine çarptığında, moleküller arası kuvvetler onları birbirinden uzaklaştırdığı için birbirlerini itebilirler. Moleküllerin bir araya gelip reaksiyona girebilmesi için bu kuvvetlerin üstesinden gelmek de enerji gerektirir.
Potansiyel ve Kinetik Enerji
Bir nesne hareket halindeyken, o nesneyle ilişkili bir enerji vardır. Bir yıkım topu düşünün. Yavaş hareket eden bir yıkım topu bile diğer nesnelere büyük zarar verebilir. Hareket halindeki cisimlerle ilişkili enerjiye denir. kinetik enerji (Şekil 5). Hızla giden bir mermi, yürüyen bir insan ve havadaki (ısı üreten) moleküllerin hızlı hareketinin tümü kinetik enerjiye sahiptir.
Şimdi aynı hareketsiz yıkım topu bir vinçle yerden iki kat yukarı kaldırılırsa ne olur? Askıya alınan yıkım topu hareket etmiyorsa, onunla ilişkili enerji var mı? Cevap Evet. Yıkım topunu kaldırmak için gerekli olan enerji kaybolmadı, şimdi konumu ve üzerine etki eden yerçekimi kuvveti sayesinde yıkım topunun içinde depolanıyor. Bu enerji türüne denir potansiyel enerji (Şekil 5). Top düşerse, potansiyel enerji, top yere düştüğünde tüm potansiyel enerji tükenene kadar kinetik enerjiye dönüştürülür. Yıkım topları ayrıca salıncakta bir sarkaç gibi sallanır, potansiyel enerjide (sallanmanın tepesinde en yüksek) kinetik enerjide (salınımın en altında en yüksek) sürekli bir değişim vardır. Potansiyel enerjinin diğer örnekleri arasında bir barajın arkasında tutulan suyun enerjisi veya bir uçaktan paraşütle atlamak üzere olan bir kişi yer alır.
Şekil 5 Durgun su potansiyel enerjiye sahiptir, örneğin bir şelale veya hızlı akan bir nehirde olduğu gibi hareketli suyun kinetik enerjisi vardır. (kredi “barajı”: işin modifikasyonu “Pascal”/Flickr kredisi “şelale”: işin modifikasyonu Frank Gualtieri)
Potansiyel enerji sadece maddenin konumu ile değil, aynı zamanda yapı maddenin. Yerdeki bir yay sıkıştırılırsa potansiyel enerjisi vardır, gerilmiş bir lastik bant da öyle. Moleküler düzeyde, moleküllerin atomlarını bir arada tutan bağlar, potansiyel enerjiye sahip belirli bir yapıda bulunur. Hücresel yollar gerekmek daha basit moleküllerden ve diğer yollardan karmaşık molekülleri sentezlemek için enerji serbest bırakmak Bu karmaşık moleküller parçalandığında enerji. Bazı kimyasal bağların parçalanmasıyla enerji açığa çıkabilmesi, bu bağların potansiyel enerjiye sahip olduğunu ima eder. Aslında, yediğimiz tüm gıda moleküllerinin bağlarında depolanan ve sonunda kullanım için kullanılan potansiyel enerji vardır. Bunun nedeni, bu bağların kırıldığında enerji açığa çıkarabilmesidir. Kimyasal bağlarda var olan ve bu bağlar kırıldığında açığa çıkan potansiyel enerji türüne denir. kimyasal enerji. Kimyasal enerji, canlı hücrelere yiyeceklerden enerji sağlamaktan sorumludur. Enerji salınımı, gıda molekülleri içindeki moleküler bağlar kırıldığında meydana gelir.
Isı kapasitesi
Özgül ısı kapasitesi (c) - 1 g maddenin sıcaklığını 1 °C SI birimleriyle yükseltmek için gereken termal enerji miktarı – J/(g∙°C).
Özgül ısı kapasitesi yüksek olan maddelerin ısınması veya soğuması daha uzun sürer.
Bazı Ortak Maddelerin Özgül Isı Kapasiteleri
Bir Reaksiyonun ΔG'si Entalpi (Bağ Enerjisi) ve Entropideki Değişikliklere Bağlıdır
Herhangi bir sabit sıcaklık ve basınçta, iki faktör Δ'ü belirler.G bir reaksiyonun ve dolayısıyla reaksiyonun meydana gelme eğiliminde olup olmayacağı: reaktanlar ve ürünler arasındaki bağ enerjisindeki değişiklik ve sistemin rastgeleliğindeki değişiklik. Gibbs, serbest enerjinin şu şekilde tanımlanabileceğini gösterdi.
Entropi S bir sistemin rastgelelik veya düzensizlik derecesinin bir ölçüsüdür. Entropi, bir sistem daha düzensiz hale geldikçe artar ve daha yapılandırılmış hale geldikçe azalır. Örneğin, bir çözeltiden konsantrasyonlarının daha düşük olduğu başka bir çözeltiye çözünen maddelerin difüzyonunu düşünün. Bu önemli biyolojik reaksiyon, yalnızca böyle bir süreçteki entropi artışından kaynaklanır.H sıfıra yakındır. Bunu görmek için, 0.1 M'lik bir glikoz çözeltisinin, büyük bir su hacminden, glikozun yayılabileceği bir zar ile ayrıldığını varsayalım. Glikoz moleküllerinin zardan difüzyonu onlara hareket etmeleri için daha fazla alan verecek ve bunun sonucunda sistemin rastgeleliği veya entropisi artacaktır. Maksimum entropi, tüm moleküller mümkün olan en büyük hacimde serbest bir şekilde dağılabildiğinde, yani glikoz moleküllerinin konsantrasyonu zarın her iki tarafında aynı olduğunda elde edilir. Seyreltme sırasında glikozun hidrasyon derecesi önemli ölçüde değişmezse, ΔH yaklaşık olarak sıfır olacaktır, glikoz moleküllerinin daha büyük bir hacme yayılmak üzere serbest kaldığı reaksiyonun negatif serbest enerjisi yalnızca Δ pozitif değerinden kaynaklanacaktır.S Denklem 2-7'de.
Daha önce belirtildiği gibi, hidrofobik bağların oluşumu, öncelikle entropideki bir değişiklik tarafından yönlendirilir. Yani, heptan veya tristearin gibi uzun bir hidrofobik molekül suda çözülürse, su molekülleri serbest hareketlerini kısıtlayarak etrafında bir kafes oluşturmaya zorlanır. Bu, düzenlemelerine yüksek derecede bir düzen getirir ve sistemin entropisini düşürür (ΔS <𠁐). Entropi değişimi negatif olduğundan, hidrofobik moleküller sulu çözeltilerde iyi çözünmezler ve birbirleriyle ilişkili kalmaya eğilimlidirler.
Serbest enerji, entalpi ve entropi arasındaki ilişkileri şu şekilde özetleyebiliriz:
Birçok biyolojik reaksiyon düzende bir artışa ve dolayısıyla entropide bir azalmaya yol açar (ΔS <𠁐). Açık bir örnek, bir protein oluşturmak için amino asitleri birbirine bağlayan reaksiyondur. Protein moleküllerinden oluşan bir çözelti, aynı amino asitlerin bağlanmamış bir çözeltisinden daha düşük bir entropiye sahiptir, çünkü bir proteindeki herhangi bir amino asidin serbest hareketi, uzun bir zincire bağlandığında kısıtlanır. Bağlantı reaksiyonunun devam etmesi için, Bölüm 4'te tartışıldığı gibi, sistemin başka bir yerinde serbest enerjide telafi edici bir azalma meydana gelmelidir.
Enerji depolayan bağlar kırıldığında kimyasal reaksiyonların enerji açığa çıkardığını öğrendikten sonra, bir sonraki önemli soru şudur: Bu kimyasal reaksiyonlarla ilişkili enerji nasıl ölçülür ve ifade edilir? Bir reaksiyondan salınan enerji, başka bir reaksiyonunkiyle nasıl karşılaştırılabilir? Bu enerji transferlerini ölçmek için bir serbest enerji ölçümü kullanılır. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, tüm enerji transferlerinin, ısı gibi kullanılamaz bir biçimde bir miktar enerji kaybını içerdiğini hatırlayın. Serbest enerji, özel olarak, kayıplar hesaba katıldıktan sonra mevcut olan bir kimyasal reaksiyonla ilişkili enerjiyi ifade eder. Başka bir deyişle, serbest enerji, kullanılabilir enerji veya iş yapmak için mevcut olan enerjidir.
Bir kimyasal reaksiyon sırasında enerji açığa çıkarsa, ∆G (delta G) olarak gösterilen serbest enerjideki değişim negatif bir sayı olacaktır. Serbest enerjide negatif bir değişiklik, reaksiyon ürünlerinin reaktanlardan daha az serbest enerjiye sahip olduğu anlamına gelir, çünkü reaksiyon sırasında bir miktar serbest enerji açığa çıkarırlar. Serbest enerjide negatif bir değişime sahip olan ve dolayısıyla serbest enerjiyi serbest bırakan reaksiyonlara ekzergonik reaksiyonlar denir. Düşünmek: eskiergonomik enerji demektir eskisistemi itiyor. Bu reaksiyonlara kendiliğinden reaksiyonlar da denir ve ürünleri, reaktanlardan daha az depolanmış enerjiye sahiptir. Kendiliğinden terimi ile hemen meydana gelen bir kimyasal reaksiyon fikri arasında önemli bir ayrım yapılmalıdır. Terimin günlük kullanımının aksine, spontan bir reaksiyon aniden veya hızlı bir şekilde meydana gelen bir reaksiyon değildir. Demirin paslanması, zamanla yavaş yavaş, azar azar meydana gelen kendiliğinden bir reaksiyonun bir örneğidir.
Bir kimyasal reaksiyon dengede enerji salmaktan ziyade enerjiyi soğuruyorsa, o reaksiyon için ∆G pozitif bir değer olacaktır. Bu durumda ürünler, reaktanlardan daha fazla serbest enerjiye sahiptir. Böylece, bu reaksiyonların ürünleri, enerji depolayan moleküller olarak düşünülebilir. Bu kimyasal reaksiyonlara denir. endergonik tepkiler ve bunlar kendiliğinden olmayan. Bir endergonik reaksiyon, serbest enerji eklenmeden kendi başına gerçekleşmeyecektir.
Şekil 4.6 Endergonik süreçlerin (enerji gerektirenler) ve ekzergonik süreçlerin (enerji salanların) bazı örnekleri gösterilmektedir. (kredi a: çalışmanın Natalie Maynor tarafından değiştirilmesi kredi b: çalışmanın USDA kredisi ile değiştirilmesi c: çalışmanın Cory Zanker tarafından değiştirilmesi kredi d: çalışmanın Harry Malsch tarafından değiştirilmesi)
Gösterilen süreçlerin her birine bakın ve endergonik mi yoksa ekzergonik mi olduğuna karar verin.
Endergonik ve ekzergonik reaksiyonlarla ilgili dikkate alınması gereken önemli bir kavram daha vardır. Ekzergonik reaksiyonlar, enerji salma adımlarına devam etmeden önce, harekete geçmek için az miktarda enerji girişi gerektirir. Bu reaksiyonlar net bir enerji salınımına sahiptir, ancak yine de başlangıçta bir miktar enerji girişi gerektirir. Tüm kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için gerekli olan bu küçük miktardaki enerji girdisine aktivasyon enerjisi denir.
Bağımsız Uygulama - Fotosentez Enerjisinin Modellenmesi
Öğrenciler, fotosentezin aydınlık ve karanlık (Calvin Döngüsü) reaksiyonlarını gösteren bir model geliştirmek için bir kaynak olarak önceki bölümdeki Ders Notlarını kullanacaklardır. Öğrencilerin her bir sürecin biyokimyasal adımlarının ayrıntılarıyla çıkmaza girmesine gerek yoktur. Odak, iki adımın her biri için girdiler (başlangıç materyalleri) ve çıktılar (bitiş materyalleri) üzerine yerleştirilmelidir. Öğrenciler ayrıca, güneş ışığı (ışık enerjisi) olarak emildiği ve bitkinin hücresel solunum sırasında kullanması için glikoza (depolanmış kimyasal enerji) dönüştürüldüğü için enerjinin dönüşümünü takip etmeye teşvik edilir.
Yaygın Öğrenci Yanılgıları :
- Bitkiler sadece fotosentez yapabilir ve hücresel solunum yaşamazlar. **Bitkiler, mitokondride depolanan glikozu bitki için büyümek ve yaşamı sürdürmek için enerjiye dönüştürecek hücresel solunum yaşarlar.
- Karanlık reaksiyon ışıkta gerçekleşemez. **Karanlık reaksiyon (Calvin Döngüsü) ışıkta meydana gelebilir, ancak ışıktan bağımsız olduğu için sadece karanlık reaksiyon olarak adlandırılır, yani bu kimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi için güneş ışığına İHTİYAÇ yoktur.
- Kloroplast, kimyasal reaksiyonlara giren tek organeldir. **Bitkinin tüm organelleri kimyasal reaksiyonlara girer. Kloroplast, fotosentezin kimyasal reaksiyonuna güç veren güneş enerjisini emen klorofil içerir.
- Bir bitkide ne olursa olsun fotosentez gerçekleşir! ** Fotosentezin kimyasal reaksiyonu, thylakoid membrandaki kimyasal reaksiyonu başlatmak için güneş ışığına ve klorofil pigmentine ihtiyaç duyar. Güneş ışığı (veya yapay UV ışığı) yoksa fotosentez işlemi gerçekleşemez.
- Calvin Döngüsü, ışık reaksiyonu olmadan kendi kendine meydana gelebilir. **Calvin Döngüsü, ışık reaksiyonunun ürünlerine ihtiyaç duyar, bu nedenle Calvin Döngüsünün devam etmesi için ışık reaksiyonunun gerçekleşmesi gerekir. Işık reaksiyonu, karanlık reaksiyonun (Calvin Döngüsü) meydana gelmesine izin verecek malzemeleri sağlar.
Öğrenci Çalışması Örneği: Resimli Modeller ve Anlatımlar
Öğrenci Çalışması Örneği: Örnek Fotosentez Diyagramı - Bu eser, öğrencinin fotosentez ile ilgili karmaşık kimyasal süreçlerde ustalaşmaya çalışırken ayrıntılara gösterdiği özeni gösterir. Öğrencinin çabası, güneş ışığının depolanmış kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü sürecin her aşamasını takip etmek için diyagramı incelerken öğrenmesini destekleyecektir.
Öğrenci Çalışması Örneği: İyileştirme Gerekiyor Fotosentez Diyagramı - Bu eser, bir öğrencinin çok az çabayla aceleye getirilmiş gibi görünen çalışmasını gösterir. En büyük endişe, gösterilen modelin okunmasının zor olması ve öğrencinin bir değerlendirmeye hazırlanmaya çalışırken modeli incelemek için geri dönmekte zorlanmasıdır. Öğrencilerin bu ödevde başarılı olmaları için yetenekli sanatçılar olmaları gerekmez, ancak ayrıntılara dikkat etmeleri ve içeriği öğrenmelerini desteklemek için resimli modellerini olabildiğince düzgün hale getirmeye çalışmaları gerekir.
Öğrenci Çalışması Örneği: Fotosentez Süreci için Anlatım: Bu öğrencinin fotosentezle ilgili özet anlatımı, bu karmaşık kimyasal reaksiyonun kimyasal süreçlerinin temel bir anlayışını gösterir. Ünite ilerledikçe, ek dersler bu öğrencinin anlama düzeyini güçlendirecektir.
28 Potansiyel, Kinetik, Serbest ve Aktivasyon Enerjisi
Bu bölümün sonunda aşağıdakileri yapabileceksiniz:
- “Enerjiyi” tanımlayın
- Kinetik ve potansiyel enerji arasındaki farkı açıklayınız
- Serbest enerji ve aktivasyon enerjisi kavramlarını tartışın
- Endergonik ve ekzergonik reaksiyonları açıklayın
Enerjiyi iş yapabilme yeteneği olarak tanımlarız. Öğrendiğiniz gibi, enerji farklı şekillerde var olur. Örneğin elektrik enerjisi, ışık enerjisi ve ısı enerjisi farklı enerji türleridir. Bunların hepsi görülebilen veya hissedilebilen tanıdık enerji türleri olsa da, çok daha az elle tutulur olan başka bir enerji türü daha vardır. Bilim adamları bu enerjiyi yerin üzerindeki bir nesne kadar basit bir şeyle ilişkilendirir. Enerjinin biyolojik sistemlere girip çıkma şeklini takdir etmek için, fiziksel dünyada var olan farklı enerji türleri hakkında daha fazla bilgi sahibi olmak önemlidir.
Enerji Türleri
Bir cisim hareket halindeyken enerji vardır. Örneğin, uçuş halindeki bir uçak önemli miktarda enerji üretir. Bunun nedeni, hareketli nesnelerin bir değişiklik yapma veya iş yapma yeteneğine sahip olmasıdır. Bir yıkım topu düşünün. Yavaş hareket eden bir yıkım topu bile diğer nesnelere önemli ölçüde zarar verebilir. Ancak hareket halinde olmayan bir yıkım topu iş yapamaz. Hareket halindeki cisimlerin enerjisi kinetik enerjidir. Hızla giden bir mermi, yürüyen bir insan, havadaki (ısı üreten) hızlı molekül hareketi ve ışık gibi elektromanyetik radyasyonun hepsinin kinetik enerjisi vardır.
Aynı hareketsiz yıkım topunu vinçli bir arabanın iki kat yukarısına kaldırırsak ne olur? Askıya alınan yıkım topu hareket etmiyorsa, onunla enerjiyi ilişkilendirebilir miyiz? Cevap Evet. Asılı yıkım topu, hareket halindeki nesnelerin kinetik enerjisinden temelde farklı bir enerjiye sahiptir. Bu enerji formu, potansiyel yıkım topunun iş yapması için. Topu bırakırsak işe yarar. Bu enerji türü iş yapma potansiyelini ifade ettiğinden, buna potansiyel enerji diyoruz. Cisimler enerjilerini kinetik ve potansiyel arasında şu şekilde aktarırlar: Yıkım topu hareketsiz dururken 0 kinetik ve yüzde 100 potansiyel enerjiye sahiptir. Serbest bırakıldığında, kinetik enerjisi artmaya başlar çünkü yerçekimi nedeniyle hız oluşturur. Aynı anda yere yaklaştıkça potansiyel enerjisini kaybeder. Sonbaharın ortasında bir yerde yüzde 50 kinetik ve yüzde 50 potansiyel enerjiye sahip. Top yere çarpmadan hemen önce potansiyel enerjisini neredeyse kaybetmiştir ve maksimuma yakın kinetik enerjiye sahiptir. Potansiyel enerjinin diğer örnekleri arasında bir barajın arkasında tutulan su enerjisi ((Şekil)) veya bir uçaktan paraşütle atlamak üzere olan bir kişi sayılabilir.
Potansiyel enerjiyi sadece maddenin bulunduğu yerle (ağaç dalında oturan bir çocuk gibi) değil, aynı zamanda maddenin yapısıyla da ilişkilendiririz. Yerdeki bir yay sıkıştırılırsa potansiyel enerjisi vardır, gergin bir şekilde çekilmiş bir lastik bant da öyle. Canlı hücrelerin varlığı, büyük ölçüde yapısal potansiyel enerjiye dayanır. Kimyasal düzeyde, moleküllerin atomlarını bir arada tutan bağlar potansiyel enerjiye sahiptir. Anabolik hücresel yolların daha basit moleküllerden karmaşık molekülleri sentezlemek için enerjiye ihtiyaç duyduğunu ve katabolik yolların karmaşık moleküller parçalandığında enerji açığa çıkardığını unutmayın. Bazı kimyasal bağların parçalanmasının enerji açığa çıkarabilmesi, bu bağların potansiyel enerjiye sahip olduğu anlamına gelir. Aslında, yediğimiz tüm gıda moleküllerinin bağlarında depolanan ve sonunda kullanmak için kullandığımız potansiyel enerji vardır. Bunun nedeni, bu bağların kırıldığında enerji açığa çıkarabilmesidir. Bilim adamları, kimyasal bağların kimyasal enerjiyi kırdığı zaman açığa çıkan kimyasal bağlar içinde var olan potansiyel enerji türü olarak adlandırır ((Şekil)). Kimyasal enerji, canlı hücrelere yiyeceklerden enerji sağlamaktan sorumludur. Yakıt molekülleri içindeki moleküler bağların kırılması, enerjinin serbest bırakılmasını sağlar.
Hareket halindeki bir sarkacın değişen kinetik (K) ve potansiyel enerjisini (U) görmek için bu siteyi ziyaret edin ve menüden (“Harmonik Hareket” altında) “Basit bir sarkaç”ı seçin.
Bedava enerji
Enerji depolayan bağlar koptuğunda kimyasal reaksiyonların enerji açığa çıkardığını öğrendikten sonra, bir sonraki önemli soru, kimyasal reaksiyonları ilgili enerjiyle nasıl ölçeceğiz ve ifade edeceğiz? Bir tepkimeden açığa çıkan enerjiyi başka bir tepkimeninkiyle nasıl karşılaştırabiliriz? Bu enerji transferlerini ölçmek için bir serbest enerji ölçümü kullanıyoruz. Bilim adamları, ölçümü geliştiren bilim adamı Josiah Willard Gibbs'den sonra bu serbest enerjiye Gibbs serbest enerjisi (G harfi ile kısaltılır) adını verirler. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, tüm enerji transferlerinin ısı gibi kullanılamaz bir biçimde bir miktar enerji kaybetmeyi içerdiğini ve bunun da entropiye yol açtığını hatırlayın. Gibbs serbest enerjisi, özellikle entropiyi hesaba kattıktan sonra mevcut olan bir kimyasal reaksiyonla meydana gelen enerjiyi ifade eder. Başka bir deyişle, Gibbs serbest enerjisi, kullanılabilir enerji veya iş yapmak için mevcut olan enerjidir.
Her kimyasal reaksiyon, delta G (∆G) adı verilen serbest enerjide bir değişiklik içerir. Kimyasal reaksiyon gibi böyle bir değişikliğe uğrayan herhangi bir sistem için serbest enerjideki değişimi hesaplayabiliriz. ∆G'yi hesaplamak için, sistemin toplam enerji değişiminden entropiye kaybolan enerji miktarını (∆S olarak gösterilir) çıkarın. Bilim adamları sistemdeki bu toplam enerji değişimini entalpi olarak adlandırır ve biz bunu ∆H olarak ifade ederiz. ∆G'yi hesaplama formülü aşağıdaki gibidir, burada T sembolü Kelvin cinsinden mutlak sıcaklığı ifade eder (santigrat derece + 273):
Bir kimyasal reaksiyonun standart serbest enerji değişimini, standart pH, sıcaklık ve basınç altında reaksiyon ürününün molü başına enerji miktarı (kilojul veya kilokalori, kJ/mol veya kcal/mol 1 kJ = 0,239 kcal) olarak ifade ederiz. koşullar. Genellikle standart pH, sıcaklık ve basınç koşullarını biyolojik sistemlerde pH 7.0, sırasıyla 25 santigrat derece ve 100 kilopaskal (1 atm basınç) olarak hesaplarız. Hücresel koşulların bu standart koşullardan önemli ölçüde farklı olduğuna ve bu nedenle biyolojik reaksiyonlar için standart hesaplanan ∆G değerlerinin hücre içinde farklı olacağına dikkat edin.
Endergonik Reaksiyonlar ve Ekzergonik Reaksiyonlar
Bir kimyasal reaksiyon sırasında enerji açığa çıkarsa, yukarıdaki denklemden elde edilen değer negatif bir sayı olacaktır. Başka bir deyişle, enerji açığa çıkaran tepkimeler ∆G < 0'a sahiptir. Negatif bir ∆G aynı zamanda tepkime ürünlerinin tepkime sırasında serbest enerji verdikleri için tepkimeye girenlerden daha az serbest enerjiye sahip olduğu anlamına gelir. Bilim adamları, negatif ∆G'ye sahip olan ve dolayısıyla serbest enerjili ekzergonik reaksiyonları serbest bırakan reaksiyonlara denir. Düşünmek: eskiergonik enerji demektir eskisistemi itiyor. Sisteme enerji eklemeden de oluşabildikleri için bu tepkimelere spontan tepkimeler de diyoruz. Hangi kimyasal reaksiyonların kendiliğinden olduğunu ve serbest enerjiyi serbest bıraktığını anlamak biyologlar için son derece yararlıdır, çünkü bu reaksiyonlar hücre içinde iş yapmak için kullanılabilir. Kendiliğinden terimi ile hemen meydana gelen bir kimyasal reaksiyon fikri arasında önemli bir ayrım yapmalıyız. Terimin günlük kullanımının aksine, spontan bir reaksiyon aniden veya hızlı bir şekilde meydana gelen bir reaksiyon değildir. Paslanan demir, zamanla yavaş yavaş, azar azar meydana gelen kendiliğinden bir reaksiyonun bir örneğidir.
Bir kimyasal reaksiyon, enerji açığa çıkarmak yerine bir enerji girişi gerektiriyorsa, o reaksiyon için ∆G pozitif bir değer olacaktır. Bu durumda ürünler, reaktanlardan daha fazla serbest enerjiye sahiptir. Böylece reaksiyonların ürünlerini enerji depolayan moleküller olarak düşünebiliriz. Bu kimyasal reaksiyonlara endergonik reaksiyonlar diyoruz ve bunlar kendiliğinden değil. Bir endergonik reaksiyon, serbest enerji eklenmeden kendi başına gerçekleşmeyecektir.
Besin molekülü olan glikozun sentezi ve parçalanması örneğini tekrar gözden geçirelim. Şekerler gibi karmaşık molekülleri daha basit olanlardan inşa etmenin anabolik bir süreç olduğunu ve enerji gerektirdiğini unutmayın. Bu nedenle, anabolik süreçlerde yer alan kimyasal reaksiyonlar endergonik reaksiyonlardır. Alternatif olarak, şekeri daha basit moleküllere ayırmanın katabolik süreci, bir dizi ekzergonik reaksiyonda enerji açığa çıkarır. Yukarıdaki pas örneğinde olduğu gibi, şekerin parçalanması kendiliğinden reaksiyonları içerir, ancak bu reaksiyonlar anında gerçekleşmez. (Şekil) endergonik ve ekzergonik reaksiyonların diğer bazı örneklerini göstermektedir. Daha sonraki bölümler, spontan reaksiyonların bile daha verimli gerçekleşmesi için başka nelerin gerekli olduğu hakkında daha fazla bilgi sağlayacaktır.
Süreçlerin her birine bakın ve endergonik mi yoksa ekzergonik mi olduğuna karar verin. Her durumda entalpi artar mı azalır mı ve entropi artar mı azalır mı?
Metabolizma ve enerjiyi incelemede önemli bir kavram, kimyasal dengedir. Çoğu kimyasal reaksiyon geri dönüşümlüdür. Her iki yönde de ilerleyebilirler, bir yönde çevrelerine enerji salıp diğer yönde çevreden emebilirler ((Şekil)). Aynısı, proteinlerin ayrı ayrı amino asitler içinde ve bunlardan ayrı ayrı parçalanması ve oluşturulması gibi hücre metabolizmasında yer alan kimyasal reaksiyonlar için de geçerlidir. Kapalı bir sistem içindeki reaktanlar, mümkün olan en düşük serbest enerjiden biri ve bir maksimum entropi durumu olan bir denge durumuna ulaşana kadar her iki yönde de kimyasal reaksiyonlara gireceklerdir. Tepkimeye girenleri ve ürünleri bir denge durumundan uzaklaştırmak için enerji gerekir. Ya reaktanlar ya da ürünler eklenmeli, çıkarılmalı ya da değiştirilmelidir. Bir hücre kapalı bir sistem olsaydı, kimyasal reaksiyonları dengeye ulaşırdı ve yaşamı sürdürmek için gerekli işi yapmak için yeterli serbest enerji kalmadığından ölürdü. Canlı bir hücrede kimyasal reaksiyonlar sürekli olarak dengeye doğru hareket eder, ancak asla dengeye ulaşmaz. Çünkü canlı bir hücre açık bir sistemdir. Malzemeler girer ve çıkar, hücre belirli kimyasal reaksiyonların ürünlerini başka reaksiyonlara dönüştürür ve asla kimyasal denge olmaz. Bu şekilde canlı organizmalar, denge ve entropiye karşı sürekli enerji gerektiren, yokuş yukarı bir savaş içindedir. Bu sürekli enerji kaynağı, nihayetinde fotosentez sürecinde besin üreten güneş ışığından gelir.
Aktivasyon Enerjisi
Endergonik ve ekzergonik reaksiyonlarla ilgili dikkate almamız gereken bir başka önemli kavram daha vardır. Ekzergonik reaksiyonlar bile, enerji salma adımlarına geçmeden önce az miktarda enerji girişi gerektirir. Bu reaksiyonlar net bir enerji salınımına sahiptir, ancak yine de bir miktar başlangıç enerjisi gerektirir. Bilim adamları, tüm kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için gerekli olan bu küçük miktardaki enerji girdisine aktivasyon enerjisi (veya aktivasyonun serbest enerjisi) adını verirler.A ((Figür)).
Neden enerji açığa çıkaran, negatif bir ∆G reaksiyonu ilerlemek için bir miktar enerjiye ihtiyaç duyar? Bunun nedeni, kimyasal reaksiyon sırasında gerçekleşen adımlarda yatmaktadır. Kimyasal reaksiyonlar sırasında bazı kimyasal bağlar kopar ve yenileri oluşur. Örneğin, bir glikoz molekülü bozulduğunda, molekülün karbon atomları arasındaki bağlar kopar. Bunlar enerji depolayan bağlar oldukları için kırıldıklarında enerji açığa çıkarırlar. Bununla birlikte, onları bağların kırılmasına izin verecek bir duruma getirmek için molekülün biraz bükülmesi gerekir. Bu çarpık duruma ulaşmak için küçük bir enerji girişi gereklidir. Bu çarpık durum, geçiş durumudur ve yüksek enerjili, kararsız bir durumdur. Bu nedenle tepken moleküller geçiş hallerinde uzun süre dayanmazlar, ancak kimyasal reaksiyonun sonraki adımlarına çok hızlı bir şekilde ilerlerler. Serbest enerji diyagramları, belirli bir reaksiyon için enerji profillerini gösterir. Reaksiyonun ekzergonik mi yoksa endergonik mi olduğu, diyagramdaki ürünlerin hem reaktanlardan hem de ürünlerden daha düşük veya daha yüksek bir enerji durumunda bulunacağını belirler. Bununla birlikte, bu önlemden bağımsız olarak, reaksiyonun geçiş durumu, reaktanlardan daha yüksek bir enerji durumunda bulunur ve bu nedenle, EA her zaman pozitiftir.
Bu sitede serbest enerjiden geçiş durumuna geçişin bir animasyonunu izleyin.
Kimyasal reaktanların ihtiyaç duyduğu aktivasyon enerjisi nereden gelir? Reaksiyonları ilerletmek için gereken aktivasyon enerjisi kaynağı, tipik olarak çevreden gelen ısı enerjisidir. Isı enerjisi (bir kimyasal reaksiyondaki reaktanların veya ürünlerin toplam bağ enerjisi), molekülün hareketini hızlandırarak çarpışmalarının sıklığını ve kuvvetini arttırır. Ayrıca molekül içindeki atomları ve bağları hafifçe hareket ettirerek geçiş durumlarına ulaşmalarına yardımcı olur. Bu nedenle bir sistemi ısıtmak, o sistemdeki kimyasal reaktanların daha sık reaksiyona girmesine neden olacaktır. Bir sistem üzerindeki basıncı artırmak aynı etkiye sahiptir. Reaktanlar, geçiş durumuna ulaşmak için çevrelerinden yeterli ısı enerjisini emdiğinde, reaksiyon devam edecektir.
Belirli bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi, ilerleyeceği hızı belirler. Aktivasyon enerjisi ne kadar yüksek olursa, kimyasal reaksiyon o kadar yavaş olur. Demir paslanma örneği, doğal olarak yavaş bir reaksiyonu gösterir. Bu reaksiyon, yüksek E'si nedeniyle zaman içinde yavaş yavaş gerçekleşir.A. Ek olarak, güçlü bir şekilde ekzergonik olan birçok yakıtın yakılması, bir kıvılcımdan gelen yeterli ısı aktivasyon enerjisini aşmadıkça ihmal edilebilir bir oranda gerçekleşecektir. Bununla birlikte, bir kez yanmaya başladıklarında, kimyasal reaksiyonlar, çevredeki yakıt molekülleri için aktivasyon enerjisini sağlayarak yanma sürecine devam etmek için yeterli ısıyı serbest bırakır. Hücrelerin dışındaki bu reaksiyonlar gibi, çoğu hücresel reaksiyon için aktivasyon enerjisi, ısı enerjisinin verimli oranlarda üstesinden gelemeyeceği kadar yüksektir. Diğer bir deyişle, önemli hücresel reaksiyonların fark edilebilir oranlarda (birim zamandaki reaksiyon sayısı) gerçekleşebilmesi için aktivasyon enerjilerinin düşürülmesi gerekir ((Şekil)). Bilim adamları buna kataliz diyor. Bu, canlı hücreler açısından çok iyi bir şeydir. Proteinler, DNA ve RNA gibi önemli makromoleküller önemli miktarda enerji depolar ve parçalanmaları ekzergoniktir. Hücresel sıcaklıklar tek başına bu ekzergonik tepkimelerin aktivasyon engellerini aşmasına yetecek kadar ısı enerjisi sağlasaydı, hücrenin temel bileşenleri parçalanırdı.
Sükrozu (sofra şekeri) parçalamak için aktivasyon enerjisi gerekmeseydi, onu bir şekerlik içinde saklayabilir miydiniz?
Bölüm Özeti
Enerji birçok farklı biçimde gelir. Hareket halindeki nesneler fiziksel iş yapar ve kinetik enerji hareket halindeki nesnelerin enerjisidir. Hareket halinde olmayan cisimler iş yapma potansiyeline ve dolayısıyla potansiyel enerjiye sahip olabilir. Moleküller de potansiyel enerjiye sahiptir çünkü moleküler bağları kırmak enerjiyi serbest bırakma potansiyeline sahiptir. Canlı hücreler, iş yapmak için moleküler bağlardan potansiyel enerji toplamaya bağlıdır. Serbest enerji, iş yapmak için mevcut olan enerjinin bir ölçüsüdür. Kimyasal reaksiyonlar gibi enerji transferleri sırasında bir sistemin serbest enerjisi değişir ve bilim adamları bu değişimi ∆G olarak adlandırır.
Bir reaksiyonun ∆G negatif veya pozitif olabilir, yani reaksiyon sırasıyla enerjiyi serbest bırakır veya enerji tüketir. Enerji veren negatif ∆G'li bir reaksiyon, ekzergonik bir reaksiyondur. Enerji girişi gerektiren pozitif ∆G'ye sahip olan bir endergonik reaksiyondur. Ekzergonik reaksiyonlar kendiliğindendir çünkü ürünleri reaktanlarından daha az enerjiye sahiptir. Endergonik reaksiyonların ürünleri, reaktanlardan daha yüksek bir enerji durumuna sahiptir ve bu nedenle bunlar kendiliğinden olmayan reaksiyonlardır. Bununla birlikte, tüm reaksiyonlar (spontane -∆G reaksiyonları dahil), ilerleyecekleri geçiş durumuna ulaşmak için bir başlangıç enerji girdisi gerektirir. Bu ilk enerji girişi aktivasyon enerjisidir.
Görsel Bağlantı Soruları
(Şekil) Süreçlerin her birine bakın ve endergonik mi yoksa ekzergonik mi olduğuna karar verin. Her durumda entalpi artar mı azalır mı ve entropi artar mı azalır mı?
(Şekil) Bir kompost yığınının ayrışması, ekzergonik bir süreçtir, entalpi artar (enerji açığa çıkar) ve entropi artar (büyük moleküller daha küçük moleküllere ayrılır). Döllenmiş bir yumurtadan gelişen bir bebek, endergonik bir süreçtir, entalpi azalır (enerji emilir) ve entropi azalır. Kum sanatının yok edilmesi ekzergonik bir süreçtir, entalpide değişiklik olmaz, ancak entropi artar. Yokuş aşağı yuvarlanan bir top ekzergonik bir süreçtir, entalpi azalır (enerji açığa çıkar), ancak entropide değişiklik olmaz.
(Şekil) Sükrozu (sofra şekeri) parçalamak için aktivasyon enerjisi gerekmeseydi, onu bir şekerlik içinde saklayabilir miydiniz?
(Şekil) Hayır. Bozulmasının önündeki engeli aşmamız gerektiğinden kimyasal enerjiyi depolayabiliriz.
Soruları İncele
Sallanan bir sarkaç düşünün. Aşağıdaki durumlarda sarkaç ile hangi enerji türü/türleri ilişkilidir: i. bir döngüyü tamamladığı an, diğer uca doğru gerilemeye başlamadan hemen önce, ii. iki ucun ortasında olduğu an ve iii. bir döngünün sonuna gelmeden hemen önce (anlık i.'den hemen önce).
- ben. potansiyel ve kinetik, ii. potansiyel ve kinetik, iii. kinetik
- ben. potansiyel, ii. potansiyel ve kinetik, iii. potansiyel ve kinetik
- ben. potansiyel, ii. kinetik, iii. potansiyel ve kinetik
- ben. potansiyel ve kinetik, ii. kinetik iii. kinetik
Endergonik ve ekzergonik reaksiyonlar arasındaki aşağıdaki karşılaştırmalardan hangisi yanlıştır?
- Endergonik reaksiyonların pozitif ∆G'si ve ekzergonik reaksiyonların negatif ∆G'si vardır.
- Endergonik reaksiyonlar enerji tüketir ve ekzergonik reaksiyonlar enerji açığa çıkarır.
- Hem endergonik hem de ekzergonik reaksiyonlar, bir aktivasyon bariyerini aşmak için az miktarda enerji gerektirir.
- Endergonik reaksiyonlar yavaş gerçekleşir ve ekzergonik reaksiyonlar hızlı gerçekleşir.
Verilen iki kimyasal reaksiyon arasındaki bağıl aktivasyon enerjilerini yargılamanın en iyi yolu aşağıdakilerden hangisidir?
- İki reaksiyon arasındaki ∆G değerlerini karşılaştırın.
- Tepki hızlarını karşılaştırın.
- İdeal çevre koşullarını karşılaştırın.
- İki reaksiyon arasındaki kendiliğindenliği karşılaştırın.
Eleştirel Düşünme Soruları
Kendi kelimelerinizle, kendiliğinden oluşan bir reaksiyon ile anında meydana gelen arasındaki farkı ve bu farklılığa neyin sebep olduğunu açıklayın.
Kendiliğinden bir reaksiyon, negatif ∆G'ye sahip olan ve dolayısıyla enerjiyi serbest bırakan bir reaksiyondur. Bununla birlikte, kendiliğinden bir reaksiyonun, ani bir reaksiyon gibi hızlı veya aniden meydana gelmesi gerekmez. Reaksiyonun hızlı bir şekilde oluşmasını engelleyen büyük bir aktivasyon enerjisi nedeniyle uzun süreler boyunca ortaya çıkabilir.
Hem endergonik hem de ekzergonik reaksiyonlar için, geçiş durumunun, reaktanların ve ürünlerin konumuna göre düşükten yükseğe dikey bir enerji ölçeğinde konumunu tanımlayın.
Geçiş durumu, reaksiyonun endergonik veya ekzergonik olmasına bakılmaksızın, enerjide her zaman reaktanlardan ve bir reaksiyonun ürünlerinden (bu nedenle yukarıda) daha yüksektir.
Sözlük
Alman-İngiliz tıp doktoru ve biyokimyacı Hans Krebs'in 1957 kitabı Canlı Maddede Enerji Dönüşümleri (Hans Kornberg ile yazılmıştır) [1] biyokimyasal reaksiyonların termodinamiği üzerine ilk büyük yayındı. Ek olarak, ek, henüz gerçekleşmemiş biyokimyasal reaksiyonları hesaplayabilen, denge sabitlerini ve kimyasal türler için Gibbs serbest oluşum enerjisini içeren, Kenneth Burton tarafından yazılmış, şimdiye kadar yayınlanan ilk termodinamik tabloları içeriyordu.
Denge dışı termodinamik, biyolojik organizmaların düzensizlikten nasıl gelişebileceğini açıklamak için uygulanmıştır. Ilya Prigogine, bu tür sistemlerin termodinamik tedavisi için yöntemler geliştirdi. Bu sistemlere enerji tüketen sistemler adını verdi, çünkü sistem ve çevresi arasında enerji alışverişi yapan tüketen süreçler tarafından oluşturulup sürdürülürler ve bu alışveriş durursa ortadan kaybolurlar. Çevreleriyle simbiyoz halinde yaşadıkları söylenebilir. Biyolojideki enerji dönüşümleri öncelikle fotosenteze bağlıdır. Güneş radyasyonundan yeşil bitkilerde fotosentez tarafından yakalanan toplam enerji, yılda yaklaşık 2 x 10 23 jul enerjidir. [2] Yeşil bitkilerde fotosentez tarafından yakalanan yıllık enerji, Dünya'ya ulaşan toplam güneş ışığı enerjisinin yaklaşık %4'ü kadardır. Hidrotermal menfezleri çevreleyen biyolojik topluluklardaki enerji dönüşümleri, kükürdü oksitledikleri ve enerjilerini fotosentez yerine kemosentez yoluyla elde ettikleri istisnalardır.
Biyolojik termodinamik alanı, biyoloji ve biyokimyadaki kimyasal termodinamiğin ilkelerine odaklanmıştır. Kapsanan ilkeler arasında termodinamiğin birinci yasası, termodinamiğin ikinci yasası, Gibbs serbest enerjisi, istatistiksel termodinamik, reaksiyon kinetiği ve yaşamın kökenine ilişkin hipotezler yer alır. Şu anda biyolojik termodinamik, ATP hidrolizi, protein stabilitesi, DNA bağlanması, membran difüzyonu, enzim kinetiği [3] ve diğer bu tür temel enerji kontrollü yollar gibi iç biyokimyasal dinamiklerin incelenmesiyle ilgilenmektedir. Termodinamik açısından, bir kimyasal reaksiyon sırasında iş yapabilen enerji miktarı, Gibbs serbest enerjisindeki değişim ile nicel olarak ölçülür. Fiziksel biyolog Alfred Lotka, Gibbs serbest enerjisindeki değişimi evrim teorisiyle birleştirmeye çalıştı.
Biyolojik sistemlerde enerji dönüşümü
Güneş, canlı organizmalar için birincil enerji kaynağıdır. Bitkiler gibi bazı canlı organizmalar doğrudan güneş ışığına ihtiyaç duyarken, insanlar gibi diğer organizmalar dolaylı olarak güneşten enerji elde edebilir. [4] Bununla birlikte, göllerdeki kalın buz katmanlarının altındaki mavi-yeşil alglerin kanıtı olarak bazı bakterilerin Antarktika gibi zorlu ortamlarda gelişebildiğine dair kanıtlar vardır. Canlı türü ne olursa olsun, tüm canlı organizmalar yaşamak için enerjiyi yakalamalı, dönüştürmeli, depolamalı ve kullanmalıdır.
Gelen güneş ışığının enerjisi ile dalga boyu λ veya frekansı ν arasındaki ilişki şu şekilde verilir:
nerede H Planck sabitidir (6.63x10 −34 Js) ve C ışık hızıdır (2.998x10 8 m/s). Bitkiler bu enerjiyi güneş ışığından yakalar ve fotosentez yaparak güneş enerjisini etkin bir şekilde kimyasal enerjiye dönüştürür. Enerjiyi bir kez daha aktarmak için hayvanlar bitkilerle beslenecek ve sindirilmiş bitki materyallerinin enerjisini biyolojik makromoleküller oluşturmak için kullanacaklar.
Termodinamik Evrim Teorisi Düzenle
Biyolojik evrim bir termodinamik teori ile açıklanabilir. Termodinamiğin dört yasası, evrimin arkasındaki biyolojik teoriyi çerçevelemek için kullanılır. Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini belirtir. Hiçbir yaşam enerji yaratamaz, ancak onu çevresinden elde etmesi gerekir. Termodinamiğin ikinci yasası, enerjinin dönüştürülebileceğini ve bunun yaşam formlarında her gün meydana geldiğini belirtir. Organizmalar çevrelerinden enerji aldıkça onu faydalı enerjiye dönüştürebilirler. Tropik dinamiğin temeli budur.
Genel örnek, açık sistemin, enerji dağılımını maksimize etmeye doğru hareket eden herhangi bir ekosistem olarak tanımlanabilmesidir. Her şey, biyoçeşitliliği artırmak için DNA'daki değişikliklerde meydana gelen evrim açısından maksimum entropi üretimi için çaba gösterir. Böylece çeşitlilik, termodinamiğin ikinci yasasına bağlanabilir. Çeşitliliğin, entropiyi en üst düzeye çıkarmak için dinamik bir dengeye doğru yayılan bir yayılma süreci olduğu da tartışılabilir. Bu nedenle termodinamik, art arda gelme yönü ve hızı ile birlikte evrimin yönünü ve hızını açıklayabilir. [5]
Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin Birinci Yasası, bir biçimden diğerine değiştirilebilir olsa da, enerjinin korunumunun bir ifadesidir, enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. [6] Birinci yasadan Hess Yasası adı verilen bir ilke doğar. Hess Yasası, belirli bir reaksiyonda emilen veya yayılan ısının her zaman sabit olması ve reaksiyonun meydana gelme şeklinden bağımsız olması gerektiğini belirtir. Bazı ara reaksiyonlar endotermik ve diğerleri ekzotermik olabilse de, toplam ısı değişimi, işlemin doğrudan meydana gelmesi durumundaki ısı değişimine eşittir. Bu ilke, bir kimyasal reaksiyondaki ısı miktarını belirlemek için kullanılan bir cihaz olan kalorimetrenin temelidir. Gelen tüm enerji vücuda yiyecek olarak girdiğinden ve nihayetinde oksitlendiğinden, toplam ısı üretimi, bir kalorimetrede gıdanın oksidasyonu ile üretilen ısı ölçülerek tahmin edilebilir. Bu ısı, beslenme etiketlerinde bulunan gıda enerjisinin ortak birimi olan kilokalori cinsinden ifade edilir. [7]
Termodinamiğin İkinci Yasası
Termodinamiğin İkinci Yasası, öncelikle belirli bir işlemin mümkün olup olmadığı ile ilgilidir. İkinci Kanun, evrenin entropisinde bir artış eşlik etmedikçe hiçbir doğal sürecin gerçekleşemeyeceğini belirtir. [8] Başka bir deyişle, yalıtılmış bir sistem her zaman düzensizliğe meyleder. Canlı organizmaların genellikle yanlışlıkla İkinci Kanuna karşı geldiklerine inanılır, çünkü onların organizasyon seviyelerini yükseltebilirler. Bu yanlış yorumlamayı düzeltmek için, sistemlerin ve sınırların tanımına basitçe atıfta bulunulmalıdır. Canlı bir organizma, çevresiyle hem madde hem de enerji alışverişi yapabilen açık bir sistemdir. Örneğin, bir insan yiyeceği alır, bileşenlerine ayırır ve sonra bunları hücre, doku, bağ vb. oluşturmak için kullanır. Bu süreç vücuttaki düzeni arttırır ve böylece entropiyi azaltır. Ancak insanlar ayrıca 1) temas ettikleri giysilere ve diğer nesnelere ısı iletirler, 2) vücut sıcaklığındaki ve çevredeki farklılıklar nedeniyle konveksiyon üretirler, 3) ısıyı uzaya yayarlar, 4) enerji içeren maddeleri tüketirler (örn. gıda) ve 5) atıkları (örneğin, karbondioksit, su ve diğer nefes, idrar, dışkı, ter vb. bileşenleri) ortadan kaldırmak. Tüm bu süreçler dikkate alındığında, daha büyük sistemin (yani insan ve çevresinin) toplam entropisi artar. İnsan yaşamayı bıraktığında, bu süreçlerin hiçbiri (1-5) gerçekleşmez ve süreçlerdeki herhangi bir kesinti (özellikle 4 veya 5) hızla morbidite ve/veya mortaliteye yol açacaktır.
Gibbs Serbest Enerji Düzenle
Biyolojik sistemlerde genel olarak enerji ve entropi birlikte değişir. Bu nedenle, bu değişiklikleri aynı anda hesaba katan bir durum fonksiyonunu tanımlayabilmek gerekir. Bu durum fonksiyonu Gibbs Serbest Enerjisidir, G.
- H entalpidir (SI birimi: joule)
- T sıcaklıktır (SI birimi: kelvin)
- S entropidir (SI birimi: kelvin başına joule)
Gibbs Serbest Enerjisindeki değişiklik, belirli bir kimyasal reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini belirlemek için kullanılabilir. eğer ∆G negatifse, reaksiyon kendiliğinden meydana gelebilir. Aynı şekilde, eğer ∆G pozitif ise, reaksiyon spontan değildir. [9] Ara maddeleri paylaşıyorlarsa, kimyasal reaksiyonlar birlikte "birleştirilebilir". Bu durumda, genel Gibbs Serbest Enerjisi değişimi basitçe ∆'nin toplamıdır.G Her reaksiyon için değerler. Bu nedenle, olumsuz bir reaksiyon (pozitif ∆G1) ikinci, son derece uygun bir reaksiyon tarafından yönlendirilebilir (negatif ∆G2 nerede ∆ büyüklüğüG2 > büyüklüğü ∆G1). Örneğin, glikozun fruktoz ile reaksiyona girerek sakaroz oluşturması ∆ değerine sahiptir.G +5.5 kcal/mol değeri. Bu nedenle, bu reaksiyon kendiliğinden oluşmayacaktır. ATP'nin ADP ve inorganik fosfat oluşturmak üzere parçalanması ∆G -7.3 kcal/mol değeri. Bu iki reaksiyon, glikozun, glikoz-1-fosfat ve ADP oluşturmak üzere ATP ile bağlanacağı şekilde birleştirilebilir. Glikoz-1-fosfat daha sonra sükroz ve inorganik fosfat veren fruktoz ile bağlanabilir. ∆G bağlı reaksiyonun değeri -1.8 kcal/mol olup, reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşeceğini gösterir. Gibbs Serbest Enerjisindeki değişimi değiştirmek için reaksiyonları birleştirme ilkesi, biyolojik organizmalardaki tüm enzimatik eylemlerin arkasındaki temel ilkedir. [10]