3.5: מבוא לאנרגיה חופשית

כיצד נוכל להשוות את האנרגיה שמשתחררת מתגובה אחת לזו של תגובה אחרת? אנו משתמשים במדידה של אנרגיה חופשית כדי לכמת את העברות האנרגיה הללו. מדענים מכנים אנרגיה חופשית זו של גיבס אנרגיה חופשית (מקוצר באות G) על שם יאשיהו וילארד גיבס, המדען שפיתח את המדידה. על פי החוק השני של התרמודינמיקה, כל העברות האנרגיה כרוכות באיבוד אנרגיה מסוימת בצורה בלתי שמישה כגון חום, וכתוצאה מכך אנטרופיה. האנרגיה החופשית של גיבס מתייחסת באופן ספציפי לאנרגיה של תגובה כימית הזמינה לאחר שאנו לוקחים בחשבון אנטרופיה. במילים אחרות, האנרגיה החופשית של גיבס היא אנרגיה שמישה, או אנרגיה זמינה לביצוע עבודה.

כל תגובה כימית כרוכה בשינוי באנרגיה חופשית, הנקרא דלתא G (∆G). אנו יכולים לחשב את השינוי באנרגיה החופשית עבור כל מערכת שעוברת שינוי כזה, כגון תגובה כימית. כדי לחשב ∆G, הפחיתו את כמות האנרגיה שאבדה לאנטרופיה (מסומנת כ-∆S) משינוי האנרגיה הכולל של המערכת. האנרגיה הכוללת במערכת היא אנתלפיה ואנו מסמנים אותה כ-∆H. הנוסחה לחישוב ∆G היא כדלקמן, כאשר הסמל T מתייחס לטמפרטורה המוחלטת בקלווין (מעלות צלזיוס + 273):

ΔG = ΔH − TΔS

אנו מבטאים את שינוי האנרגיה החופשית הסטנדרטי של תגובה כימית ככמות אנרגיה לכל שומה של תוצר התגובה (בקילג’אול או קילוקלוריות, kJ/mol או קק”ל/מול; 1 kJ = 0.239 קק”ל) בתנאי pH, טמפרטורה ולחץ סטנדרטיים. בדרך כלל אנו מחשבים תנאי pH, טמפרטורה ולחץ סטנדרטיים ב- pH 7.0 במערכות ביולוגיות, 25 מעלות צלזיוס ו- 100 קילופסקל (לחץ אטמוספירה אחד), בהתאמה. שימו לב שהתנאים התאיים שונים במידה ניכרת מהתנאים הסטנדרטיים האלה, ולכן ערכי ∆G המחושבים הסטנדרטיים עבור תגובות ביולוגיות יהיו שונים בתוך התא.

טקסט זה נלקח מתוך Openstax, ביולוגיה 2e, סעיף 6.2: פוטנציאל, קינטי, חופשי, ושפעול אנרגיה ו Openstax, כימיה 2e, סעיף 16.4: אנרגיה חופשית.