3.5: Wprowadzenie do darmowej energii

Jak możemy porównać energię, która uwalnia się z jednej reakcji z energią innej reakcji? Używamy pomiaru energii swobodnej, aby określić ilościowo te transfery energii. Naukowcy nazywają tę darmową energię swobodną energią Gibbsa (w skrócie przez literę G) na cześć Josiaha Willarda Gibbsa, naukowca, który opracował pomiar. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, wszystkie transfery energii wiążą się z utratą części energii w bezużytecznej formie, takiej jak ciepło, co skutkuje entropią. Energia swobodna Gibbsa odnosi się w szczególności do energii reakcji chemicznej, która jest dostępna po uwzględnieniu entropii. Innymi słowy, energia swobodna Gibbsa to energia użytkowa, czyli energia dostępna do wykonania pracy.

Każda reakcja chemiczna wiąże się ze zmianą energii swobodnej, zwanej delta G (∆G). Możemy obliczyć zmianę energii swobodnej dla dowolnego układu, który ulega takiej zmianie, takiej jak reakcja chemiczna. Aby obliczyć ∆G, odejmij ilość energii utraconej w wyniku entropii (oznaczonej jako ∆S) od całkowitej zmiany energii układu. Całkowita energia w układzie to entalpia i oznaczamy ją jako ∆H. Wzór na obliczenie ∆G jest następujący, gdzie symbol T odnosi się do temperatury bezwzględnej w kelwinach (stopnie Celsjusza + 273):

ΔG = ΔH − TΔS

Standardową zmianę energii swobodnej reakcji chemicznej wyrażamy jako ilość energii na mol produktu reakcji (w kilodżulach lub kilokaloriach, kJ/mol lub kcal/mol; 1 kJ = 0,239 kcal) w standardowych warunkach pH, temperatury i ciśnienia. Na ogół obliczamy standardowe warunki pH, temperatury i ciśnienia przy pH 7,0 w systemach biologicznych, odpowiednio 25 stopni Celsjusza i 100 kilopaskali (ciśnienie 1 atm). Należy zauważyć, że warunki komórkowe różnią się znacznie od tych standardowych warunków, a więc standardowe obliczone wartości ∆G dla reakcji biologicznych będą różne wewnątrz komórki.

Ten tekst jest adaptacją Openstax, Biology 2e, Sekcja 6.2: Potencjalna, Kinetyczna, Swobodna i Aktywacja Energia oraz Openstax, Chemia 2e, Sekcja 16.4: Darmowa energia.