3.5: Введение в свободную энергию

Как мы можем сравнить энергию, выделяющуюся при одной реакции, с энергией другой реакции? Мы используем измерение свободной энергии для количественной оценки этих переносов энергии. Ученые называют эту свободную энергию свободной энергией Гиббса (сокращенно буквой G) в честь Джозайи Уилларда Гиббса, ученого, разработавшего измерение. Согласно второму закону термодинамики, все передачи энергии связаны с потерей некоторой энергии в непригодной для использования форме, такой как тепло, что приводит к энтропии. Свободная энергия Гиббса конкретно относится к энергии химической реакции, которая становится доступной после учета энтропии. Другими словами, свободная энергия Гиббса — это полезная энергия, или энергия, доступная для выполнения работы.

Каждая химическая реакция включает в себя изменение свободной энергии, называемое дельта G (∆G). Мы можем рассчитать изменение свободной энергии для любой системы, которая претерпевает такое изменение, например, химическую реакцию. Чтобы вычислить ∆G, вычтите количество энергии, потерянной на энтропию (обозначается как ∆S) из общего изменения энергии системы. Полная энергия в системе является энтальпией, и мы обозначаем ее как ∆H. Формула расчета ∆G следующая, где символом T обозначена абсолютная температура в Кельвинах (градусы Цельсия + 273):

ΔG = ΔH − TΔS

Мы выражаем стандартное изменение свободной энергии химической реакции как количество энергии на моль продукта реакции (в килоджоулях или килокалориях, кДж/моль или ккал/моль; 1 кДж = 0,239 ккал) при стандартных условиях pH, температуры и давления. Обычно мы рассчитываем стандартные условия pH, температуры и давления при pH 7,0 в биологических системах, 25 градусов Цельсия и 100 килопаскаль (давление 1 атм) соответственно. Обратите внимание, что клеточные условия значительно отличаются от этих стандартных условий, поэтому стандартные рассчитанные значения ∆G для биологических реакций внутри клетки будут другими.

Этот текст адаптирован из Openstax, Биология 2e, Раздел 6.2: Потенциальная, кинетическая, свободная и активационная энергия и Openstax, Химия 2e, Раздел 16.4: Свободная энергия.