자유 에너지

자유 에너지(free energy; 발견한 과학자인 깁스(Gibbs)의 앞글자를 따서 G라고 부르기도 합니다) 일을 하기 위해서 화학 반응에서 추출할 수 있는 유용한 에너지의 측정치입니다. 자유 에너지는 엔트로피를 고려한 후 이용할 수 있는 화학 반응의 에너지입니다. 에너지를 섭취하는 반응은 에너지흡수성(endergonic)으로 간주되고 에너지를 방출하는 반응은 에너지방출성(exergonic)으로 간주됩니다. 식물은 포도당과 산소를 생산하기 위해 햇빛과 이산화탄소를 흡수함으로써 에너지흡수성 반응을 수행합니다. 한편 동물은 산소를 사용하여 식물에서 포도당을 분해하고 이산화탄소와 물을 만듭니다. 한 시스템이 평형 상태에 있을 때 자유 에너지에는 순변화(net change)가 없습니다. 세포가 물질대사를 계속하며 살아있기 위해서는, 끊임없이 반응물(reactant)과 생성물(product)의 농도를 변화시키며 평형상태(equilibrium)를 벗어나야 합니다.

자유 에너지

시스템에서 에너지가 흐르는 방향은 화학 반응이 에너지흡수성인지 아니면 에너지방출성인지 결정합니다. 자유 에너지에 순변화가 없는 시스템은 평형상태에 있는 것으로 간주됩니다. 대부분의 화학 반응은 가역적(reversible)이며, 두 방향으로 진행될 수 있습니다. 세포는 살아있기 위해서 물질대사가 계속 진행되도록 끊임없이 반응물과 생성물의 농도를 변화시키며 평형상태를 유지해야 합니다.

에너지흡수성 반응 대 에너지방출성 반응

만약 어떤 화학 반응이 앞으로 나아가기 위해 에너지의 입력이 필요하다면, 반응의 자유 에너지 변화(즉 반응의 ΔG)는 양수이며, 반응은 에너지흡수성으로 간주됩니다. 식물에서 햇빛의 도움으로 이산화탄소와 물로부터 포도당 분자와 산소의 생성은 에너지흡수성으로 여겨집니다. 포도당 분자는 에너지 저장 분자(energy storage molecule)로 간주됩니다.

반대로 에너지가 화학 반응에서 방출되면, 반응의 자유 에너지 변화(즉 반응의 ΔG)는 음수이며, 반응은 에너지방출성으로 간주됩니다. 이 반응의 생성물은 자유 에너지가 반응물보다 적습니다 (즉, 에너지가 시스템을 빠져나감). 이런 반응은 이산화탄소와 물을 만들기 위해 산소를 사용하여 포도당을 분해하는 동물에게 일어납니다 (즉, 포도당 분자의 에너지가 방출됩니다).