Năng lượng ( các phản ứng)

Năng lượng tự do và các phản ứng Các định luật thứ nhất và thứ hai có thể kết hợp trong một phương trình chung liên kết những thay đổi trong năng lượng có thể diễn ra trong các phản ứng hoá học và các quá trình khác. ∆G = ∆H - T.∆S ∆G là sự thay đổi trong năng lượng tự do, ∆H là sự thay đổi trong entalpi (enthalpi).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Năng lượng ( các phản ứng) Năng lượng ( các phản ứng)16.1.3. Năng lượng tự do và cácphản ứng Các định luật thứ nhất và thứhai có thể kết hợp trong mộtphương trình chung liên kết nhữngthay đổi trong năng lượng có thểdiễn ra trong các phản ứng hoá họcvà các quá trình khác. ∆G = ∆H - T.∆S ∆G là sự thay đổi trong nănglượng tự do, ∆H là sự thay đổitrong entalpi (enthalpi).T là nhiệt 0độ Kelvin ( C + 273) và ∆S là sựthay đổi trong entropi (entropy)diễn ra trong phản ứng. Sự thay đổitrong entalpi là sự thay đổi trongnhiệt lượng. Các phản ứng trong tếbào diễn ra ở điều kiện áp suất vàthể tích không thay đổi. Do đó sựthay đổi trong entalpi sẽ tương tựnhư sự thay đổi trong năng lượngtổng cộng trong phản ứng. Sự thayđổi năng lượng tự do là nhiệt lượngtrong một hệ thống có khả năngsinh công ở nhiệt độ và áp suấtkhông thay đổi. Vì vậy, sự thay đổitrong entropi là đại lượng đo tỉ lệcủa sự thay đổi năng lượng tổngcộng mà hệ thống không thể sửdụng để thực hiện công. Sự thayđổi của năng lượng tự do và củaentropi không phụ thuộc vào việchệ thống diễn ra như thế nào từ lúcbắt đầu tới khi kết thúc. Ở nhiệt độvà áp suất không đổi một phản ứngsẽ xảy ra ngẫu nhiên nếu nănglượng tự do của hệ thống giảm đitrong phản ứng, hay nói theo cáchkhác, nếu ∆G là âm. Từ phươngtrình trên suy ra là một phản ứngvới sự thay đổi lớn, dương tínhtrong entropi sẽ thường có xuhướng có giá trị ∆G âm và vì vậyxảy ra ngẫu nhiên. Một sự giảmtrong entropi sẽ có xu hướng làmcho ∆G dương tính hơn và phảnứng ít thuận lợi. Hình 16.5: ∆Go’ và cân bằng. o’Quan hệ của ∆G với sự cân bằngcủa các phản ứng. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005) Sự thay đổi trong năng lượng tựdo có quan hệ xác định, cụ thể đối với hướng của các phản ứng hoáhọc. Ta hãy xét phản ứng đơn giản sau đây: A+B C+D Nếu được hỗn hợp các phân tửA và B sẽ kết hợp với nhau tạothành các sản phẩm C và D. Cuốicùng C và D sẽ trở nên đậm đặc đủđể kết hợp với nhau và tạo thành Avà B với cùng tốc độ như khi chúngđược tạo thành từ A và B. Phảnứng bây giờ ở trạng thái cân bằng:tốc độ theo hai hướng là như nhauvà không có sự thay đổi rõ rệt nàodiễn ra trong nồng độ của các chấtphản ứng và các sản phẩm. Tìnhhình trên được mô tả là hằng số cânbằng (Keq) liên kết nồng độ cânbằng của các sản phẩm và cơ chấtvới nhau: Nếu hằng số cân bằng lớn hơn1 các sản phẩm sẽ có nồng độ lớnhơn các chất phản ứng và phản ứngcó xu hướng diễn ra đến cùng(Hình 16.5). Hằng số cân bằng của một phảnứng liên quan trực tiếp với sự thayđổi trong năng lượng tự do củaphản ứng. Khi được xác định ở cácđiều kiện tiêu chuẩn quy định chặtchẽ về nồng độ, áp suất, pH vànhiệt độ thì sự thay đổi năng lượngtự do cho một quá trình được gọi làsự thay đổi năng lượng tự do tiêuchuẩn (∆Go). Nếu giữ ở pH 7,0(gần với pH của tế bào sống) sựthay đổi năng lượng tự do tiêuchuẩn sẽ được chỉ bởi ký hiệu ∆Go’.Sự thay đồi trong năng lượng tự dotiêu chuẩn có thể được xem làlượng năng lượng cực đại mà hệthống có thể thực hiện công hữu íchở các điều kiện tiêu chuẩn. Việc sửdụng các giá trị ∆Go’ cho phép ta sosánh các phản ứng mà không cầnquan tâm tới những thay đổi trong∆G, do những sai khác trong cácđiều kiện môi trường. Quan hệ giữa∆Go’ và Keq được thể hiện qua quátrình sau: ∆Go’ = -2,303RTlgKeq. R là hằng số khí (1,9872cal/mol hoặc 8,3145 J/mol) và T lànhiệt độ tuyệt đối. Từ phương trìnhtrên rút ra khi ∆Go’ âm hằng số cânbằng sẽ lớn hơn 1, phản ứng sẽdiễn ra đến cùng và được gọi làphản ứng thoát nhiệt (Hình 16.5).Trong một phản ứng thu nhiệt∆Go’ là dương và hằng số cân bằngnhỏ hơn 1. Điều đó có nghĩa làphản ứng không thuận lợi và ít sảnphẩm được tạo thành ở các điềukiện tiêu chuẩn. Cần nhớ rằng giátrị ∆Go’ chỉ cho ta biết phản ứngnằm ở đâu khi cân bằng chứ khôngnói lên phản ứng đạt được cân bằngnhanh chậm ra sao.16.1.4. Vai trò của ATP trongtrao đổi chất Nhiều phản ứng trong tế bào làthu nhiệt, khó diễn ra hoàn toàn nếukhông có sự giúp đỡ từ bên ngoài.Một trong các vai trò của ATP làhướng các phản ứng nói trên xảy rađược triệt để hơn. ATP là một phântử cao năng nghĩa là nó có thể bịthuỷ phân hầu như hoàn toàn thành o’ADP và Pi với một ∆G khoảng -7,3kcal/mol. ATP + H2O ADP + Pi Với ATP thuật ngữ phân tử caonăng không có nghĩa là một lượnglớn năng lượng được dự trữ bêntrong một liên kết đặc biệt của ATPmà chỉ đơn giản chỉ ra rằng việcloại bỏ nhánh Phosphate tận cùngdiễn ra với sự thay đổi năng lượngtự do chuẩn là âm, lớn hoặc phảnứng là thoát nhiệt mạnh. Nói cáchkhác ATP có thế mạnh chuyềnnhóm Phosphate và dễ dàng chuyềnPhosphate cho nước. Thế chuyềnnhóm Phosphate được quy định là o’âm của ∆G đối với việc loại bỏthuỷ phân Phosphate. Một phân tửcó thế chuyền nhóm cao hơn sẽchuyển Phosphate cho phân tử cóthế ...