Năng lượng ( các phản ứng) ppsx

Năng lượng
( các phản ứng)




16.1.3. 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).T là nhiệt
độ Kelvin (
0
C + 273) và ∆S là sự
thay đổi trong entropi (entropy)
diễn ra trong phản ứng. Sự thay đổi
trong entalpi là sự thay đổi trong
nhiệt lượng. Các phản ứng trong tế
bào diễn ra ở điều kiện áp suất và
thể tích không thay đổi. Do đó sự
thay đổi trong entalpi sẽ tương tự
như sự thay đổi trong năng lượng

tổng cộng trong phản ứng. Sự thay
đổi năng lượng tự do là nhiệt lượng
trong một hệ thống có khả năng
sinh công ở nhiệt độ và áp suất
không thay đổi. Vì vậy, sự thay đổi
trong entropi là đại lượng đo tỉ lệ
của sự thay đổi năng lượng tổng
cộng mà hệ thống không thể sử
dụng để thực hiện công. Sự thay
đổi của năng lượng tự do và của
entropi không phụ thuộc vào việc
hệ thống diễn ra như thế nào từ lúc
bắt đầu tới khi kết thúc. Ở nhiệt độ
và áp suất không đổi một phản ứng
sẽ xảy ra ngẫu nhiên nếu năng
lượng tự do của hệ thống giảm đi
trong phản ứng, hay nói theo cách
khác, nếu ∆G là âm. Từ phương
trình trên suy ra là một phản ứng
với sự thay đổi lớn, dương tính
trong entropi sẽ thường có xu
hướng có giá trị ∆G âm và vì vậy
xảy ra ngẫu nhiên. Một sự giảm
trong entropi sẽ có xu hướng làm
cho ∆G dương tính hơn và phản
ứng ít thuận lợi.


Hình 16.5: ∆G
o’

và cân bằng.
Quan hệ của ∆G
o’
với sự cân bằng
của các phản ứng. (Theo Prescott,
Harley và Klein, 2005)
Sự thay đổi trong năng lượng tự
do có quan hệ xác định, cụ thể đối
với hướng của các phản ứng hoá
học. Ta hãy xét phản ứng đơn giản
sau đây:
A + B C + D
Nếu được hỗn hợp các phân tử
A và B sẽ kết hợp với nhau tạo
thành các sản phẩm C và D. Cuối
cùng C và D sẽ trở nên đậm đặc đủ
để kết hợp với nhau và tạo thành A
và B với cùng tốc độ như khi chúng
được tạo thành từ A và B. Phản
ứng bây giờ ở trạng thái cân bằng:
tốc độ theo hai hướng là như nhau
và không có sự thay đổi rõ rệt nào
diễn ra trong nồng độ của các chất
phản ứng và các sản phẩm. Tình
hình trên được mô tả là hằng số cân
bằng (K
eq
) liên kết nồng độ cân
bằng của các sản phẩm và cơ chất
với nhau:

Nếu hằng số cân bằng lớn hơn
1 các sản phẩm sẽ có nồng độ lớn
hơn các chất phản ứng và phản ứng
có xu hướng diễn ra đến cùng
(Hình 16.5).
Hằng số cân bằng của một phản
ứng liên quan trực tiếp với sự thay
đổi trong năng lượng tự do của
phản ứng. Khi được xác định ở các
điều kiện tiêu chuẩn quy định chặt
chẽ về nồng độ, áp suất, pH và
nhiệt độ thì sự thay đổi năng lượng
tự do cho một quá trình được gọi là
sự thay đổi năng lượng tự do tiêu
chuẩn (∆G
o
). Nếu giữ ở pH 7,0
(gần với pH của tế bào sống) sự
thay đổi năng lượng tự do tiêu
chuẩn sẽ được chỉ bởi ký hiệu ∆G
o’
.
Sự thay đồi trong năng lượng tự do
tiêu chuẩn có thể được xem là
lượng năng lượng cực đại mà hệ
thống có thể thực hiện công hữu ích
ở các điều kiện tiêu chuẩn. Việc sử
dụng các giá trị ∆G
o’

cho phép ta so
sánh các phản ứng mà không cần
quan tâm tới những thay đổi trong
∆G, do những sai khác trong các
điều kiện môi trường. Quan hệ giữa
∆G
o’
và K
eq
được thể hiện qua quá
trình sau:
∆G
o’
= -2,303RTlgK
eq
.
R là hằng số khí (1,9872
cal/mol hoặc 8,3145 J/mol) và T là
nhiệt độ tuyệt đối. Từ phương trình
trên rút ra khi ∆G
o’
âm hằng số cân
bằng sẽ lớn hơn 1, phản ứng sẽ
diễn ra đến cùng và được gọi là
phản ứng thoát nhiệt (Hình 16.5).
Trong một phản ứng thu nhiệt
∆G
o’
là dương và hằng số cân bằng
nhỏ hơn 1. Điều đó có nghĩa là

phản ứng không thuận lợi và ít sản
phẩm được tạo thành ở các điều
kiện tiêu chuẩn. Cần nhớ rằng giá
trị ∆G
o’
chỉ cho ta biết phản ứng
nằm ở đâu khi cân bằng chứ không
nói lên phản ứng đạt được cân bằng
nhanh chậm ra sao.
16.1.4. Vai trò của ATP trong
trao đổi chất
Nhiều phản ứng trong tế bào là
thu nhiệt, khó diễn ra hoàn toàn nếu
không có sự giúp đỡ từ bên ngoài.
Một trong các vai trò của ATP là
hướng các phản ứng nói trên xảy ra
được triệt để hơn. ATP là một phân
tử cao năng nghĩa là nó có thể bị
thuỷ phân hầu như hoàn toàn thành
ADP và Pi với một ∆G
o’
khoảng -
7,3kcal/mol.
ATP + H
2
O ADP + Pi

Với ATP thuật ngữ phân tử cao
năng không có nghĩa là một lượng
lớn năng lượng được dự trữ bên

trong một liên kết đặc biệt của ATP
mà chỉ đơn giản chỉ ra rằng việc
loại bỏ nhánh Phosphate tận cùng
diễn ra với sự thay đổi năng lượng
tự do chuẩn là âm, lớn hoặc phản
ứng là thoát nhiệt mạnh. Nói cách
khác ATP có thế mạnh chuyền
nhóm Phosphate và dễ dàng chuyền
Phosphate cho nước. Thế chuyền
nhóm Phosphate được quy định là
âm của ∆G
o’
đối với việc loại bỏ
thuỷ phân Phosphate. Một phân tử
có thế chuyền nhóm cao hơn sẽ
chuyển Phosphate cho phân tử có
thế thấp hơn.
Như vậy ATP thích hợp khá lý
tưởng đối với vai trò là đồng tiền
năng lượng. ATP được tạo thành
trong các quá trình hấp thu và sản
sinh năng lượng như quang hợp,
lên men và hô hấp hiếu khí. Đứng
về kinh tế của tế bào sự phân giải
ATP thải nhiệt liên kết với các
phản ứng thu nhiệt khác nhau giúp
cho các phản ứng này được hoàn
thành (Hình 16.6). Nói cách khác
ATP liên kết các phản ứng sinh
năng lượng với các phản ứng sử

dụng năng lượng.