Эндергоническая реакция

Химическая реакция, для начала которой требуется больше энергии, чем она производит

Эндергоническая реакция (например, фотосинтез ) — это реакция, для осуществления которой требуется энергия. Эндергоническая означает «поглощение энергии в форме работы». Энергия активации реакции обычно больше общей энергии экзергонической реакции (1). Эндергонические реакции не являются спонтанными. Ход реакции показан линией. Изменение свободной энергии Гиббса ( Δ G ) во время эндергонической реакции имеет положительное значение, поскольку энергия приобретается (2).

В химической термодинамике эндергоническая реакция (от греч. ἔνδον (эндон)  «внутри» и ἔργον (эргон)  « работа »; также называется поглощающей тепло несамопроизвольной реакцией или неблагоприятной реакцией ) — это химическая реакция , в которой стандартное изменение свободной энергии положительно, и для выполнения этой реакции необходима дополнительная движущая сила . С точки зрения неспециалиста, общее количество полезной энергии отрицательно (для начала реакции требуется больше энергии, чем из нее получается), поэтому общая энергия является чистым отрицательным результатом, в отличие от чистого положительного результата в экзергонической реакции . Другой способ сформулировать это так: полезная энергия должна быть поглощена из окружающей среды в работоспособную систему, чтобы реакция произошла.

При постоянной температуре и постоянном давлении это означает, что изменение стандартной свободной энергии Гиббса будет положительным,

${\displaystyle \Delta G^{\circ }>0}$

для реакции в стандартном состоянии (т.е. при стандартном давлении (1 бар ) и стандартных концентрациях (1 моль ) всех реагентов).

В метаболизме эндергонический процесс является анаболическим , то есть происходит накопление энергии; во многих таких анаболических процессах энергия поступает путем сопряжения реакции с аденозинтрифосфатом (АТФ), в результате чего образуется высокоэнергетический, отрицательно заряженный органический фосфат и положительно заряженный аденозиндифосфат .

Константа равновесия

Константа равновесия реакции связана с ΔG ° соотношением:

${\displaystyle K=e^{-{\frac {\Delta G^{\circ }}{RT}}}}$

где T — абсолютная температура , а R — газовая постоянная . Положительное значение Δ G °, следовательно, подразумевает

${\displaystyle K<1\,}$

так что, начиная с молярных стехиометрических количеств, такая реакция будет двигаться назад к равновесию, а не вперед.

Тем не менее, эндергонические реакции довольно распространены в природе, особенно в биохимии и физиологии . Примерами эндергонических реакций в клетках являются синтез белка и насос Na ⁺ /K ⁺ , который управляет нервной проводимостью и сокращением мышц .

Свободная энергия Гиббса для эндергонических реакций

Все физические и химические системы во вселенной следуют второму закону термодинамики и движутся в нисходящем, т. е. экзергоническом , направлении. Таким образом, предоставленная самой себе, любая физическая или химическая система будет двигаться, согласно второму закону термодинамики, в направлении, которое имеет тенденцию понижать свободную энергию системы, и, таким образом, расходовать энергию в форме работы. Эти реакции происходят спонтанно.

Химическая реакция является эндергонической, когда она не является спонтанной. Таким образом, в этом типе реакции свободная энергия Гиббса увеличивается. Энтропия включена в любое изменение свободной энергии Гиббса. Это отличается от эндотермической реакции , где энтропия не включена. Свободная энергия Гиббса рассчитывается с помощью уравнения Гиббса-Гельмгольца :

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\cdot \Delta S}$

где:

⁠ ⁠ ${\displaystyle T}$ = температура в кельвинах (К)

⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta G}$ = изменение свободной энергии Гиббса

⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta S}$ = изменение энтропии (при 298 К) как ${\textstyle \Delta S=\sum S({\text{Product}})-\sum S({\text{Reagent}})}$

⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta H}$ = изменение энтальпии (при 298 К) как ${\textstyle \Delta H=\sum H({\text{Product}})-\sum H({\text{Reagent}})}$

Химическая реакция протекает несамопроизвольно, когда свободная энергия Гиббса увеличивается, в этом случае ⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta G}$ положительно. В экзергонических реакциях ⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta G}$ отрицательно, а в эндергонических реакциях ⁠ ⁠ ${\displaystyle \Delta G}$ положительно:

${\displaystyle \Delta _{\mathrm {R} }G<0}$экзергонический

${\displaystyle \Delta _{\mathrm {R} }G>0}$эндергонический

где равно изменению свободной энергии Гиббса после завершения химической реакции. ${\displaystyle \Delta _{\mathrm {R} }G}$

Заставить эндергонические реакции произойти

Эндергонические реакции могут быть достигнуты, если они либо тянутся , либо толкаются экзергоническим (повышение стабильности, отрицательное изменение свободной энергии ) процессом. Конечно, во всех случаях чистая реакция всей системы (изучаемая реакция плюс реакция тянущего или толкающего) является экзергонической .

Тянуть

Реагенты могут быть протянуты через эндергоническую реакцию, если продукты реакции быстро очищаются последующей экзергонической реакцией. Таким образом, концентрация продуктов эндергонической реакции всегда остается низкой, так что реакция может продолжаться.

Классическим примером этого может быть первая стадия реакции, которая протекает через переходное состояние . Процесс достижения вершины барьера энергии активации в переходное состояние является эндергоническим. Однако реакция может продолжаться, поскольку, достигнув переходного состояния, она быстро эволюционирует через экзергонический процесс к более стабильным конечным продуктам.

Толкать

Эндергонические реакции можно ускорить , связав их с другой реакцией, которая является сильно экзергонической, через общее промежуточное вещество.

Так часто протекают биологические реакции. Например, сама по себе реакция

${\displaystyle X+Y\longrightarrow XY}$

может быть слишком эндергоническим, чтобы произойти. Однако его можно заставить произойти, связав его с сильно экзергонической реакцией – такой, как, очень часто, разложение АТФ на АДФ и неорганические фосфатные ионы, АТФ → АДФ + P _i , так что

${\displaystyle X+{\mathit {ATP}}\longrightarrow {\mathit {XP}}+{\mathit {ADP}}}$

${\displaystyle {\mathit {XP}}+Y\longrightarrow {\mathit {XY}}+P_{i}}$

Этот тип реакции, при котором распад АТФ обеспечивает свободную энергию, необходимую для осуществления эндергонической реакции, настолько распространен в биохимии клетки, что АТФ часто называют «универсальной энергетической валютой» всех живых организмов.

Смотрите также

• Экзергонический
• Экзергоническая реакция
• Экзотермический
• Эндотермический
• Экзотермическая реакция
• Эндотермическая реакция
• Эндотерм
• Экзотермический

Ссылки