انرژی آزاد

اهداف:

- آشنایی با قوانین ترمودینامیک
- آشنایی با انرژی آزاد واکنش های اکسیداسیون – احیا

انتقال انرژِی بیولوژیکی براساس دو قانون ترودینامیک صورت می گیرد.
قانون اول که عمدتاً به قانون بقای انرژی energy conservation معروف است بیان می کند که انرژی کل عالم ثابت است. مفهوم ساده آن این است که انرژی ممکن است تغییر مکان یا تغییر شکل دهد، ولی مقدار آن همواره ثابت است. توضیح بیشتر اینکه انرژی در یک واکنش هرگز هدر نمی رود، کاهش قابل توجه یک شکل انرژی با افزایش شکل دیگری از انرژی متوازن خواهد شد.

تمام انرژی صرف انجام کار نمی شود. این موضوع قانون دوم ترمودینامیک و مفهوم آنتروپی entropy را مطرح می کند. به دلیل اینکه قانون دوم ترمودینامیک مفهوم آنتروپی را در بردارد،فهم آن اندکی مشکل است. در حقیقت آنتروپی چیست؟ آنتروپی به شکل های متفاوت به صورت معیاری از تصادفی بودن،بی نظمی و هرج و مرج تشریح شده است. با وجود این، از آنجایی که آنتروپی مفهومی ترمودینامیکی است،توصیف آن در ارتباط با انرژی گرمایی بسیار مفید است. دما به صورت میانگین انرژی جنبشی مولکولی ماده تعریف می شود. بنابراین هرسیستم مولکولی به جز در صفر مطلق حاوی مقداری انرژی گرمایی است. این انرژی در اثر ارتعاش و چرخش مولکول های تشکیل دهنده ی یک ماده و حرکت مولکول ها در فضا ایجاد می شود. این مقدار انرژی گرمایی و دما با هم تغییر می کنند، یعنی به همان ترتیبی که دما افزایش یا کاهش می یابد، مقدار انرژی نیز افزایش یا کاهش می یابد.

انرژی آزاد و تعادل شیمیایی

در شرایط مناسب، تمام واکنش های شیمیایی به حالت تعادل خواهند رسید. در این حالت هیچ تغییر خالص دیگری در غلظت های مواد واکنش دهنده و محصولات واکنش ایجاد نخواهد شد. یک ارتباط مستقیم آشکار بین انرژی آزاد و تعادل شیمیایی وجود دارد. انرژی آزاد واکنش تابعی از فاصله ی آن از حالت تعادل است.تغییر انرژی آزاد در حالت تعادل صفر است و مقدار تغییر انرژی آزاد در حالتی که واکنش از تعادل خارج شده و به سمت مواد واکنش دهنده یا محصول پیش می رود افزایش می یابد.

انرژی آزاد واکنش های اکسیداسیون – احیا

فتوسنتز و تنفس پدیده های الکتروشیمیایی اند. در هر دو فرایند به صورت متوالی واکنش های اکسیداسیون – احیا صورت می گیرد که در طی آنها الکترون ها از یک ترکیب به دیگری منتقل می شوند. چنین واکنش هایی واکنش های اکسیداسیون- احیا یا ردوکس redox نامیده می شوند. واکنش های اکسیداسیون-احیا به طور مرسوم به دو نیم- واکنش مجزا شامل دادن و گرفتن الکترون تقسیم می شوند.

یک زوج احیاشده/اکسیدشده مانند NADPH/NADP+ به زوج اکسیداسیون احیا معروف است. توجه داشته باشید هر چند واکنش های اکسیداسیون/احیا اغلب به صورت انتقال پروتون ها نشان داده می شوند، اما در حقیقت الکترون ها مبادله می شوند. از آنجایی که هر یک از نیم واکنش ها و نیز کل واکنش برگشت پذیر اند، می توان انرژی آزاد آن ها را براساس تعادل شیمیایی توصیف کرد. به علاوه توجه به زوج های اکسیداسیون-احیا بیشتر به خاطر تمایل آن ها برای پذیرش الکترون ها از زوج های دیگریا دادن الکترون به آن هاست که این تمایل به پتانسیل اکسیداسیون -احیا معروف است. پتانسیل های اکسیداسیون-احیا پیش بینی امکان و جهت انتقال الکترون ها بین ترکیبات را در یک سیستم پیچیده فراهم می کنند.

مانندبسیاری از واکنش ها،پتانسیل های اکسیداسیون-احیا تحت برخی استاندارهای اختیاری تعریف می شود. استاندارد اولیه برای پتانسیل اکسیداسیون- احیا نیم سلول هیدروژن است: