معلومة

تفاعلات الطاقة والكيمياء # - علم الأحياء


الطاقة في التفاعلات الكيميائية

تتضمن التفاعلات الكيميائية إعادة توزيع الطاقة داخل المواد الكيميائية المتفاعلة ومع بيئتها. لذلك ، سواء أحببنا ذلك أم لا ، نحتاج إلى تطوير بعض النماذج التي يمكن أن تساعدنا في وصف مكان الطاقة في النظام (ربما كيف يتم "تخزينها" / توزيعها) وكيف يمكن تحريكها في رد فعل. لن يتم تفصيل النماذج التي نطورها بشكل مفرط بمعنى أنها سترضي الكيميائي أو الفيزيائي المتشدد بمستوى التفاصيل الفنية ، لكننا نتوقع أنها يجب أن تظل صحيحة تقنيًا وألا تشكل نماذج عقلية غير صحيحة تجعلها يصعب فهم "التصفيات" لاحقًا.

في هذا الصدد ، فإن أحد المفاهيم الأساسية التي يجب فهمها هو أننا سنفكر في نقل الطاقة بين أجزاء النظام. سنحاول ألا نفكر في الأمر على أنه تحول. من المهم التمييز بين "النقل" و "التحويل". هذا الأخير يعطي الانطباع بأن الطاقة هي خاصية موجودة في أشكال مختلفة ، وأنه يتم إعادة تشكيلها بطريقة ما. تتمثل إحدى مشكلات لغة "التحويل" في أنه من الصعب التوفيق بين فكرة الحفاظ على الطاقة (وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية) إذا كان شكلها يتغير باستمرار. كيف يمكن الحفاظ على الكيان إذا لم يعد هو الشيء نفسه؟ علاوة على ذلك ، يخبرنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية أنه لا يوجد تحول يحفظ كل الطاقة في النظام. إذا كانت الطاقة تتحوّل ، فكيف يمكن الحفاظ عليها؟

لذا ، بدلاً من ذلك ، سوف نتعامل مع هذه المشكلة عن طريق نقل الطاقة وتخزينها بين أجزاء مختلفة من النظام ، وبالتالي التفكير في الطاقة على أنها خاصية يمكن إعادة توزيعها. نأمل أن يجعل ذلك حساب الطاقة أسهل.

حذر:

إذا كنا سنفكر في نقل الطاقة من جزء من نظام إلى آخر ، فنحن أيضًا بحاجة إلى توخي الحذر ليس معاملة الطاقة كمادة تتحرك مثل سائل أو "شيء". بدلاً من ذلك ، نحن بحاجة إلى تقدير الطاقة ببساطة باعتبارها خاصية لنظام يمكن قياسها وإعادة تنظيمها ، ولكنها ليست "شيئًا" ولا شيئًا في وقت ما في شكل ثم لاحقًا في شكل آخر.

نظرًا لأننا غالبًا ما نتعامل مع تحولات الجزيئات الحيوية ، يمكننا أن نبدأ بالتفكير في أين يمكن العثور على الطاقة / تخزينها في هذه الأنظمة. سنبدأ بفكرتين ونضيف المزيد إليها لاحقًا.

دعونا نقترح أن مكانًا واحدًا يمكن تخزين الطاقة فيه هو حركة المادة. للإيجاز ، سنعطي الطاقة المخزنة في الحركة اسمًا: الطاقة الحركية. تكون الجزيئات في علم الأحياء في حالة حركة ثابتة ، وبالتالي لها قدر معين من الطاقة الحركية (الطاقة المخزنة في الحركة) المرتبطة بها.

دعنا نقترح أيضًا أن هناك قدرًا معينًا من الطاقة المخزنة في الجزيئات الحيوية نفسها وأن كمية الطاقة المخزنة في تلك الجزيئات مرتبطة بأنواع وأعداد الذرات في الجزيئات وتنظيمها (عدد وأنواع الروابط بين معهم). إن مناقشة المكان المحدد لتخزين الطاقة في الجزيئات هو خارج نطاق هذه الفئة ، ولكن يمكننا تقريبها من خلال اقتراح وجود وكيل جيد في الروابط. قد ترتبط أنواع مختلفة من الروابط بتخزين كميات مختلفة من الطاقة. في بعض السياقات ، يمكن تسمية هذا النوع من تخزين الطاقة الطاقة الكامنة أو الطاقة الكيميائية. من خلال هذا الرأي ، فإن أحد الأشياء التي تحدث أثناء تكوين وكسر الروابط في تفاعل كيميائي هو أن الطاقة تنتقل حول النظام إلى أنواع مختلفة من الروابط. في سياق قصة الطاقة (موضوع في وحدة أخرى) ، يمكن نظريًا حساب كمية الطاقة المخزنة في الروابط وحركة المواد المتفاعلة والطاقة المخزنة في الروابط وطاقة المنتجات.

في بعض الحالات ، قد تجد أنه عند إضافة الطاقة المخزنة في المنتجات والطاقة المخزنة في المواد المتفاعلة ، فإن هذه المبالغ غير متساوية. إذا كانت الطاقة في المواد المتفاعلة أكبر من تلك الموجودة في المنتجات ، فأين ذهبت هذه الطاقة؟ كان لا بد من نقلها إلى شيء آخر. من المؤكد أن البعض قد انتقل إلى أجزاء أخرى من النظام ، مخزّنًا في حركة جزيئات أخرى (مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البيئة) أو ربما في الطاقة المرتبطة بفوتونات الضوء. أحد الأمثلة الجيدة الواقعية هو التفاعل الكيميائي بين الخشب والأكسجين (المواد المتفاعلة) وتحويله إلى ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات). في البداية ، تكون الطاقة في النظام إلى حد كبير في الروابط الجزيئية للأكسجين والخشب (المواد المتفاعلة). لا تزال هناك طاقة متبقية في ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات) ولكن أقل مما كانت عليه في البداية. نقدر جميعًا أن جزءًا من تلك الطاقة قد تم تحويله إلى طاقة في الضوء والحرارة. يسمى هذا التفاعل حيث يتم نقل الطاقة إلى البيئة طارد للحرارة. على النقيض من ذلك ، في بعض التفاعلات ، ستنتقل الطاقة من البيئة. ردود الفعل هذه ماص للحرارة.

إن نقل الطاقة داخل أو خارج التفاعل من البيئة ليس الشيء الوحيد الذي يحدد ما إذا كان التفاعل سيكون تلقائيًا أم لا. سنناقش ذلك قريبًا. في الوقت الحالي ، من المهم أن تشعر بالراحة مع فكرة أنه يمكن نقل الطاقة بين مكونات مختلفة للنظام أثناء التفاعل وأنك يجب أن تكون قادرًا على تصور تتبعها.


تفاعلات الطاقة والكيمياء # - علم الأحياء

يستخدم العلماء مصطلح الطاقة الحيوية لوصف مفهوم تدفق الطاقة (الشكل 1) من خلال الأنظمة الحية ، مثل الخلايا. تحدث العمليات الخلوية مثل بناء وتحطيم الجزيئات المعقدة من خلال تفاعلات كيميائية متدرجة. بعض هذه التفاعلات الكيميائية عفوية وتطلق الطاقة ، في حين أن البعض الآخر يحتاج إلى طاقة للمضي قدمًا.

الشكل 1. في النهاية ، تحصل معظم أشكال الحياة على طاقتها من الشمس. تستخدم النباتات عملية التمثيل الضوئي لالتقاط ضوء الشمس ، وتأكل الحيوانات العاشبة النباتات للحصول على الطاقة. تتغذى الحيوانات آكلة اللحوم على العواشب ، ويساهم التحلل النهائي للمواد النباتية والحيوانية في تجمع المغذيات.

تمامًا كما يجب أن تستهلك الكائنات الحية الطعام باستمرار لتجديد مواردها من الطاقة ، يجب أن تنتج الخلايا باستمرار المزيد من الطاقة لتجديد تلك المستخدمة في العديد من التفاعلات الكيميائية التي تتطلب الطاقة والتي تحدث باستمرار. معًا ، يُشار إلى جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا ، بما في ذلك تلك التي تستهلك أو تولد الطاقة ، على أنها عملية التمثيل الغذائي للخلية.

نتائج التعلم

  • تحديد أنواع مختلفة من مسارات التمثيل الغذائي
  • يميز بين النظام المفتوح والنظام المغلق
  • اذكر القانون الأول للديناميكا الحرارية
  • اذكر القانون الثاني للديناميكا الحرارية
  • اشرح الفرق بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة
  • وصف التفاعلات المفعمة بالطاقة والحيوية
  • ناقش كيف تعمل الإنزيمات كمحفزات جزيئية

هذا الفريق من النمل يكسر شجرة ميتة. مثال كلاسيكي للعمل الجماعي. وكل هذا العمل يتطلب طاقة. في الواقع ، كل تفاعل كيميائي - التفاعلات الكيميائية التي تسمح للخلايا في هؤلاء النمل بالقيام بـ الشغل - يحتاج إلى طاقة للبدء. وكل هذه الطاقة تأتي من الطعام الذي يأكله النمل. كل ما يأكل النمل يحصل على طاقته من النمل. تمر الطاقة من خلال نظام بيئي في اتجاه واحد فقط.

تتضمن التفاعلات الكيميائية دائمًا طاقة. طاقة هي خاصية للمادة التي يتم تعريفها على أنها القدرة على القيام بعمل. عندما يحترق الميثان ، على سبيل المثال ، فإنه يطلق طاقة على شكل حرارة وضوء. تمتص التفاعلات الكيميائية الأخرى الطاقة بدلاً من إطلاقها.

التفاعلات الطاردة للحرارة

يسمى التفاعل الكيميائي الذي يطلق الطاقة (مثل الحرارة) تفاعل طارد للحرارة. يمكن تمثيل هذا النوع من التفاعل بمعادلة كيميائية عامة:

المتفاعلات ومنتجات rarr + الحرارة

بالإضافة إلى احتراق الميثان ، هناك مثال آخر على تفاعل طارد للحرارة وهو اتحاد الكلور مع الصوديوم لتكوين ملح الطعام. يؤدي هذا التفاعل أيضًا إلى إطلاق طاقة.

تفاعل إمتصاص الحرارة

يسمى التفاعل الكيميائي الذي يمتص الطاقة تفاعل إمتصاص الحرارة. يمكن أيضًا تمثيل هذا النوع من التفاعل بمعادلة كيميائية عامة:

المتفاعلات + منتجات الحرارة و rarr

هل سبق لك أن استخدمت عبوة تبريد كيميائية؟ تبرد العبوة بسبب تفاعل ماص للحرارة. عندما ينكسر أنبوب داخل العبوة ، فإنه يطلق مادة كيميائية تتفاعل مع الماء داخل العبوة. يمتص هذا التفاعل الطاقة الحرارية ويبرد العبوة بسرعة.

طاقة التفعيل

تحتاج جميع التفاعلات الكيميائية إلى طاقة لتبدأ. حتى التفاعلات التي تطلق الطاقة تحتاج إلى دفعة من الطاقة لكي تبدأ. الطاقة اللازمة لبدء تفاعل كيميائي تسمى طاقة التفعيل. طاقة التنشيط هي مثل الدفع الذي يحتاجه الطفل لبدء النزول في زحليقة الملعب. يمنح الدفع للطفل طاقة كافية لبدء الحركة ، ولكن بمجرد أن تبدأ ، تستمر في الحركة دون دفعها مرة أخرى. يتم توضيح طاقة التنشيط في شكل أدناه.

طاقة التفعيل. توفر طاقة التنشيط & ldquopush & rdquo اللازمة لبدء تفاعل كيميائي. هل التفاعل الكيميائي في هذا الشكل تفاعل طارد للحرارة أم تفاعل ماص للحرارة؟

لماذا تحتاج جميع التفاعلات الكيميائية إلى طاقة لتبدأ؟ لكي تبدأ التفاعلات ، يجب أن تصطدم الجزيئات المتفاعلة ببعضها البعض ، لذلك يجب أن تتحرك ، وتتطلب الحركة طاقة. عندما تصطدم الجزيئات المتفاعلة ببعضها البعض ، فإنها قد تتنافر بسبب القوى بين الجزيئات التي تدفعها بعيدًا. التغلب على هذه القوى حتى يمكن للجزيئات أن تتجمع وتتفاعل يتطلب أيضًا طاقة.


الطاقة الكامنة والحركية

عندما يكون جسم ما في حالة حركة ، هناك طاقة مرتبطة بذلك الجسم. فكر في كرة محطمة. حتى كرة التدمير البطيئة يمكن أن تلحق ضررًا كبيرًا بالأجسام الأخرى. تسمى الطاقة المرتبطة بالأجسام المتحركة حركية طاقة (الشكل 5). الرصاصة السريعة ، والشخص الذي يمشي ، والحركة السريعة للجزيئات في الهواء (التي تنتج الحرارة) كلها لها طاقة حركية.

الآن ماذا لو رفعت كرة التحطيم نفسها طابقين فوق الأرض برافعة؟ إذا كانت كرة التحطيم المعلقة ثابتة ، فهل هناك طاقة مرتبطة بها؟ الجواب نعم. الطاقة المطلوبة لرفع الكرة المدمرة لم تختف ، لكنها مخزنة الآن في كرة التحطيم بحكم موقعها وقوة الجاذبية المؤثرة عليها. هذا النوع من الطاقة يسمى الطاقة الكامنة (الشكل 5). إذا سقطت الكرة ، فإن الطاقة الكامنة ستتحول إلى طاقة حركية حتى يتم استنفاد كل الطاقة الكامنة عندما تستقر الكرة على الأرض. تتأرجح الكرات المدمرة أيضًا مثل البندول من خلال التأرجح ، فهناك تغير مستمر في الطاقة الكامنة (الأعلى في الجزء العلوي من التأرجح) إلى الطاقة الحركية (الأعلى في الجزء السفلي من التأرجح). تشمل الأمثلة الأخرى للطاقة الكامنة طاقة الماء الموجودة خلف السد أو شخص على وشك القفز بالمظلة من طائرة.

الشكل 5 تحتوي المياه الراكدة على طاقة كامنة تتحرك المياه ، كما هو الحال في شلال أو نهر سريع التدفق ، لديها طاقة حركية. (الائتمان "السد": تعديل العمل بواسطة "Pascal" / رصيد Flickr "الشلال": تعديل العمل بواسطة Frank Gualtieri)

لا ترتبط الطاقة الكامنة فقط بموقع المادة ، ولكن أيضًا مع بنية من المادة. يحتوي الزنبرك الموجود على الأرض على طاقة كامنة إذا تم ضغطه وكذلك الشريط المطاطي المشدود. على المستوى الجزيئي ، توجد الروابط التي تربط ذرات الجزيئات معًا في بنية معينة لها طاقة كامنة. الممرات الخلوية يتطلب الطاقة لتجميع الجزيئات المعقدة من أبسط المسارات وغيرها إفراج الطاقة عندما يتم تكسير هذه الجزيئات المعقدة. حقيقة أن الطاقة يمكن إطلاقها من خلال انهيار روابط كيميائية معينة تعني أن هذه الروابط لديها طاقة كامنة. في الواقع ، هناك طاقة كامنة مخزنة داخل روابط جميع جزيئات الطعام التي نأكلها ، والتي يتم تسخيرها في النهاية للاستخدام. هذا لأن هذه الروابط يمكن أن تطلق الطاقة عند كسرها. يُطلق على نوع الطاقة الكامنة الموجودة داخل الروابط الكيميائية ، والتي يتم إطلاقها عندما تنكسر تلك الروابط الطاقة الكيميائية. الطاقة الكيميائية هي المسؤولة عن تزويد الخلايا الحية بالطاقة من الغذاء. يحدث إطلاق الطاقة عندما تنكسر الروابط الجزيئية داخل جزيئات الطعام.


السعة الحرارية

السعة الحرارية النوعية (ج) - كمية الطاقة الحرارية المطلوبة لرفع درجة حرارة 1 جرام من مادة بمقدار 1 درجة مئوية من وحدات SI - J / (g ° C).

المواد ذات السعة الحرارية النوعية العالية تستغرق وقتًا أطول للتسخين أو التبريد.

السعات الحرارية النوعية لبعض المواد الشائعة


يعتمد & # x00394G للتفاعل على التغييرات في المحتوى الحراري (طاقة السندات) والإنتروبيا

عند أي درجة حرارة وضغط ثابتين ، هناك عاملان يحددان & # x00394جي التفاعل وبالتالي ما إذا كان التفاعل سيميل إلى الحدوث: التغيير في طاقة الرابطة بين المواد المتفاعلة والنواتج والتغير في عشوائية النظام. أظهر جيبس ​​أن الطاقة الحرة يمكن تعريفها على أنها

غير قادر علي س هو مقياس لدرجة عشوائية أو اضطراب النظام. يزداد الانتروبيا عندما يصبح النظام أكثر اضطرابًا وينقص كلما أصبح أكثر تنظيماً. ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، انتشار المواد المذابة من محلول إلى آخر يكون تركيزها فيه أقل. هذا التفاعل البيولوجي المهم مدفوع فقط بزيادة الانتروبيا في مثل هذه العملية & # x00394ح بالقرب من الصفر. لرؤية هذا ، افترض أنه تم فصل محلول 0.1 مولار من الجلوكوز عن كمية كبيرة من الماء بواسطة غشاء يمكن أن ينتشر الجلوكوز من خلاله. سيؤدي انتشار جزيئات الجلوكوز عبر الغشاء إلى منحها مساحة أكبر للتحرك فيها ، مما يؤدي إلى زيادة العشوائية أو الانتروبيا في النظام. يتم تحقيق أقصى قدر من الانتروبيا عندما تنتشر جميع الجزيئات بحرية على أكبر حجم ممكن & # x02005 & # x02014 & # x02005 أي عندما يكون تركيز جزيئات الجلوكوز هو نفسه على جانبي الغشاء. إذا لم تتغير درجة ترطيب الجلوكوز بشكل ملحوظ عند التخفيف ، & # x00394ح ستكون تقريبًا صفرية الطاقة الحرة السلبية للتفاعل الذي يتم فيه تحرير جزيئات الجلوكوز لتنتشر على حجم أكبر ستعزى فقط إلى القيمة الإيجابية لـ & # x00394س في المعادلة 2-7.

كما ذكرنا سابقًا ، فإن تكوين الروابط الكارهة للماء مدفوع بشكل أساسي بتغير في الانتروبيا. بمعنى أنه إذا تم إذابة جزيء طويل كاره للماء ، مثل هيبتان أو تريستيارين ، في الماء ، فإن جزيئات الماء تضطر لتشكيل قفص حولها ، مما يحد من حركتها الحرة. هذا يفرض درجة عالية من النظام على ترتيبها ويقلل من إنتروبيا النظام (& # x00394س& # x02005 & # x0003c & # x020050). نظرًا لأن التغير في الانتروبيا سلبي ، فإن الجزيئات الكارهة للماء لا تذوب جيدًا في المحاليل المائية وتميل إلى البقاء مرتبطة ببعضها البعض.

يمكننا تلخيص العلاقات بين الطاقة الحرة ، المحتوى الحراري ، والإنتروبيا على النحو التالي:

تؤدي العديد من التفاعلات البيولوجية إلى زيادة في الترتيب ، وبالتالي انخفاض في الانتروبيا (& # x00394س& # x02005 & # x0003c & # x020050). مثال واضح على ذلك هو التفاعل الذي يربط الأحماض الأمينية معًا لتكوين بروتين. يحتوي محلول جزيئات البروتين على إنتروبيا أقل من محلول نفس الأحماض الأمينية غير المرتبطة ، لأن الحركة الحرة لأي حمض أميني في البروتين تكون مقيدة عندما تكون مرتبطة في سلسلة طويلة. لكي يستمر تفاعل الارتباط ، يجب أن يحدث انخفاض تعويضي في الطاقة الحرة في مكان آخر من النظام ، كما تمت مناقشته في الفصل 4.


بعد معرفة أن التفاعلات الكيميائية تطلق الطاقة عندما تنكسر روابط تخزين الطاقة ، فإن السؤال التالي المهم هو ما يلي: كيف يتم قياس الطاقة المرتبطة بهذه التفاعلات الكيميائية والتعبير عنها؟ كيف يمكن مقارنة الطاقة المنبعثة من تفاعل واحد بتفاعل آخر؟ يتم استخدام قياس الطاقة الحرة لتحديد عمليات نقل الطاقة هذه. تذكر أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تتضمن جميع عمليات نقل الطاقة فقدان قدر من الطاقة في صورة غير قابلة للاستخدام مثل الحرارة. تشير الطاقة الحرة على وجه التحديد إلى الطاقة المرتبطة بتفاعل كيميائي متاح بعد حساب الخسائر. بمعنى آخر ، الطاقة الحرة هي طاقة قابلة للاستخدام ، أو طاقة متوفرة للقيام بالعمل.

إذا تم إطلاق الطاقة أثناء تفاعل كيميائي ، فإن التغيير في الطاقة الحرة ، والمشار إليه بـ ∆G (دلتا G) سيكون رقمًا سالبًا. يعني التغيير السلبي في الطاقة الحرة أيضًا أن منتجات التفاعل لها طاقة حرة أقل من المواد المتفاعلة ، لأنها تطلق بعض الطاقة الحرة أثناء التفاعل. ردود الفعل التي لها تغير سلبي في الطاقة الحرة وبالتالي تطلق الطاقة الحرة تسمى التفاعلات الخارجية. يفكر: السابقergonic يعني الطاقة السابقiting النظام. يشار إلى هذه التفاعلات أيضًا على أنها تفاعلات عفوية ، وتحتوي منتجاتها على طاقة مخزنة أقل من المواد المتفاعلة. يجب التمييز بين المصطلح تلقائي وفكرة حدوث تفاعل كيميائي على الفور. على عكس الاستخدام اليومي للمصطلح ، فإن التفاعل التلقائي ليس رد فعل يحدث فجأة أو بسرعة. صدأ الحديد هو مثال على التفاعل التلقائي الذي يحدث ببطء ، شيئًا فشيئًا ، بمرور الوقت.

إذا كان التفاعل الكيميائي يمتص الطاقة بدلاً من إطلاق الطاقة بالتوازن ، فإن ∆G لهذا التفاعل سيكون قيمة موجبة. في هذه الحالة ، المنتجات لديها طاقة حرة أكثر من المواد المتفاعلة. وبالتالي ، يمكن اعتبار منتجات هذه التفاعلات بمثابة جزيئات لتخزين الطاقة. تسمى هذه التفاعلات الكيميائية إندرجونيك ردود الفعل وهم غير عفوية. لن يحدث تفاعل مائي من تلقاء نفسه بدون إضافة طاقة حرة.

الشكل 4.6 الموضح هو بعض الأمثلة على العمليات الذاتية للطاقة (تلك التي تتطلب طاقة) والعمليات مفرطة الطاقة (تلك التي تطلق الطاقة). (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل ناتالي ماينور الائتمان ب: تعديل العمل بائتمان وزارة الزراعة الأمريكية ج: تعديل العمل من قبل كوري زانكر الائتمان د: تعديل العمل من قبل هاري مالش)

انظر إلى كل من العمليات الموضحة وقرر ما إذا كانت مفعمة بالطاقة أو مفرطة الطاقة.

هناك مفهوم آخر مهم يجب مراعاته فيما يتعلق بردود الفعل المبطنة للطاقة. تتطلب التفاعلات المفرطة قدرًا صغيرًا من مدخلات الطاقة للبدء ، قبل أن يتمكنوا من المضي قدمًا في خطوات إطلاق الطاقة. هذه التفاعلات لها إطلاق صافٍ للطاقة ، لكنها لا تزال تتطلب بعض مدخلات الطاقة في البداية. هذه الكمية الصغيرة من مدخلات الطاقة اللازمة لحدوث جميع التفاعلات الكيميائية تسمى طاقة التنشيط.


الممارسة المستقلة - نمذجة طاقة التمثيل الضوئي

سيستخدم الطلاب ملاحظات المحاضرة من القسم السابق كمورد لتطوير نموذج يوضح تفاعلات الضوء والظلام (دورة كالفين) لعملية التمثيل الضوئي. لا يحتاج الطلاب إلى الانغماس في تفاصيل الخطوات البيوكيميائية لكل عملية. يجب التركيز على المدخلات (مواد البداية) والمخرجات (المواد النهائية) لكل من الخطوتين. يتم تشجيع الطلاب أيضًا على متابعة تحول الطاقة حيث يتم امتصاصها كأشعة الشمس (طاقة ضوئية) وتحويلها إلى جلوكوز (طاقة كيميائية مخزنة) لاستخدامها أثناء التنفس الخلوي.

المفاهيم الخاطئة الشائعة لدى الطلاب :

  • يمكن للنباتات الخضوع لعملية التمثيل الضوئي فقط ولن تتعرض للتنفس الخلوي. ** تختبر النباتات التنفس الخلوي في الميتوكوندريا التي ستحول الجلوكوز المخزن إلى طاقة لتنمو وتحافظ على حياة النبات.
  • لا يمكن أن يحدث رد الفعل المظلم في الضوء. ** يمكن أن يحدث التفاعل المظلم (Calvin Cycle) في الضوء ، ولكن يُسمى فقط التفاعل المظلم لأنه مستقل عن الضوء ، مما يعني أن هذا التفاعل الكيميائي لا يحتاج إلى حدوث ضوء الشمس.
  • البلاستيدات الخضراء هي العضية الوحيدة التي تخضع لتفاعلات كيميائية. ** تخضع جميع عضيات النبات لتفاعلات كيميائية. تحتوي البلاستيدات الخضراء على الكلوروفيل الذي يمتص طاقة الشمس التي تعزز التفاعل الكيميائي لعملية التمثيل الضوئي.
  • يحدث التمثيل الضوئي في النبات مهما حدث! ** يحتاج التفاعل الكيميائي لعملية التمثيل الضوئي إلى ضوء الشمس وصبغة الكلوروفيل لبدء التفاعل الكيميائي في غشاء الثايلاكويد. إذا لم يكن هناك ضوء الشمس (أو ضوء الأشعة فوق البنفسجية الاصطناعي) فلا يمكن أن تحدث عملية التمثيل الضوئي.
  • يمكن أن تحدث دورة كالفن من تلقاء نفسها دون تفاعل الضوء. ** تحتاج دورة كالفن إلى حدوث نواتج تفاعل الضوء ، لذلك يجب أن يحدث تفاعل الضوء حتى تستمر دورة كالفن. يوفر تفاعل الضوء المواد للسماح بحدوث التفاعل المظلم (دورة كالفين).

عينة من عمل الطالب: نماذج مصورة وروايات

عينة من عمل الطالب: رسم تخطيطي نموذجي لعملية التمثيل الضوئي - توضح هذه الأداة اهتمام الطالب بالتفاصيل أثناء محاولته إتقان العمليات الكيميائية المعقدة المرتبطة بعملية التمثيل الضوئي. ستدعم جهود الطالبة تعلمها حيث تقوم بفحص الرسم التخطيطي لمتابعة كل مرحلة من مراحل العملية حيث يتم تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة.

عينة من عمل الطالب: مخطط البناء الضوئي الذي يحتاج إلى تحسين- تعرض هذه الأداة عمل الطالب الذي يبدو أنه مستعجل بجهد ضئيل للغاية. يتمثل الشاغل الأكبر في صعوبة قراءة النموذج المصور ، لذا سيجد الطالب صعوبة في العودة لدراسة النموذج أثناء محاولته التحضير للتقييم. لا يتعين على الطلاب أن يكونوا فنانين موهوبين لينجحوا في هذه المهمة ، لكنهم بحاجة إلى الاهتمام بالتفاصيل ومحاولة جعل نموذجهم المصور أنيقًا قدر الإمكان من أجل دعم تعلمهم للمحتوى.

عينة من عمل الطالب: السرد لعملية التمثيل الضوئي: يوضح السرد الموجز لهذا الطالب لعملية التمثيل الضوئي الفهم الأساسي للعمليات الكيميائية لهذا التفاعل الكيميائي المعقد. مع تقدم وحدة الدراسة ، ستعمل الدروس الإضافية على تعزيز مستوى الفهم لدى هذا الطالب.


28 الطاقة الكامنة والحركية والحرة والتفعيل

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • تعريف "الطاقة"
  • اشرح الفرق بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة
  • ناقش مفاهيم الطاقة المجانية وطاقة التنشيط
  • وصف التفاعلات المفعمة بالطاقة والحيوية

نحن نعرّف الطاقة بأنها القدرة على القيام بالعمل. كما تعلمت ، توجد الطاقة بأشكال مختلفة. على سبيل المثال ، تعد الطاقة الكهربائية والطاقة الضوئية والطاقة الحرارية أنواعًا مختلفة من الطاقة. في حين أن هذه كلها أنواع طاقة مألوفة يمكن للمرء أن يراها أو يشعر بها ، إلا أن هناك نوعًا آخر من الطاقة أقل وضوحًا. يربط العلماء هذه الطاقة بشيء بسيط مثل كائن فوق الأرض. من أجل تقدير الطريقة التي تتدفق بها الطاقة داخل وخارج الأنظمة البيولوجية ، من المهم أن نفهم المزيد عن أنواع الطاقة المختلفة الموجودة في العالم المادي.

أنواع الطاقة

عندما يتحرك جسم ما ، توجد طاقة. على سبيل المثال ، تنتج طائرة أثناء الطيران طاقة كبيرة. هذا لأن الأجسام المتحركة قادرة على إحداث تغيير أو القيام بعمل. فكر في كرة محطمة. حتى كرة التدمير البطيئة يمكن أن تلحق أضرارًا كبيرة بالأجسام الأخرى. ومع ذلك ، فإن كرة التدمير غير المتحركة غير قادرة على أداء العمل. الطاقة مع الأجسام المتحركة هي طاقة حركية. رصاصة مسرعة ، شخص يمشي ، حركة جزيئية سريعة في الهواء (التي تنتج الحرارة) ، والإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء كلها لها طاقة حركية.

ماذا لو رفعنا نفس كرة التحطيم الثابتة ذات طابقين فوق سيارة مزودة برافعة؟ إذا كانت كرة التحطيم المعلقة غير متحركة ، فهل يمكننا ربط الطاقة بها؟ الجواب نعم. ترتبط كرة التحطيم المعلقة بالطاقة التي تختلف اختلافًا جوهريًا عن الطاقة الحركية للأجسام المتحركة. ينتج شكل الطاقة هذا من القدره من أجل كرة التدمير للقيام بعمل. إذا أطلقنا الكرة ، فستعمل. لأن هذا النوع من الطاقة يشير إلى إمكانية القيام بعمل ، فإننا نطلق عليه اسم الطاقة الكامنة. تنقل الأجسام طاقتها بين الحركية والجهد بالطريقة التالية: عندما تتدلى الكرة المحطمة بلا حراك ، فإنها تمتلك صفرًا من الطاقة الحركية و 100 في المائة من الطاقة الكامنة. بمجرد إطلاقها ، تبدأ طاقتها الحركية في الزيادة لأنها تبني السرعة بسبب الجاذبية. في نفس الوقت ، عندما يقترب من الأرض ، فإنه يفقد الطاقة الكامنة. في مكان ما في منتصف الخريف ، تمتلك 50 بالمائة من الطاقة الحركية و 50 بالمائة من الطاقة الكامنة. قبل أن تصطدم الكرة بالأرض مباشرةً ، فقدت الكرة تقريبًا طاقتها الكامنة ولديها طاقة حركية شبه قصوى. تشمل الأمثلة الأخرى للطاقة الكامنة الماء وطاقة # 8217 الموجودة خلف السد ((الشكل)) ، أو شخص على وشك القفز بالمظلة من طائرة.

نحن نربط الطاقة الكامنة فقط بموقع المسألة & # 8217s (مثل طفل يجلس على فرع شجرة) ، ولكن أيضًا مع بنية المادة & # 8217s. يحتوي الزنبرك الموجود على الأرض على طاقة كامنة إذا تم ضغطه وكذلك الشريط المطاطي المسحوب بإحكام. يعتمد وجود الخلايا الحية بشكل كبير على الطاقة الكامنة الهيكلية. على المستوى الكيميائي ، تمتلك الروابط التي تربط الجزيئات & # 8217 الذرات معًا طاقة وضع. تذكر أن المسارات الخلوية الابتنائية تتطلب طاقة لتصنيع الجزيئات المعقدة من الجزيئات الأبسط ، والمسارات التقويضية تطلق الطاقة عندما تتحلل الجزيئات المعقدة. أن بعض الروابط الكيميائية وانهيار # 8217 يمكن أن يطلق طاقة يعني أن هذه الروابط لديها طاقة كامنة. في الواقع ، هناك طاقة كامنة مخزنة داخل روابط جميع جزيئات الطعام التي نأكلها ، والتي نستخدمها في النهاية. هذا لأن هذه الروابط يمكن أن تطلق الطاقة عند كسرها. يطلق العلماء على نوع الطاقة الكامنة الموجود داخل الروابط الكيميائية التي تنطلق عندما تكسر هذه الروابط الطاقة الكيميائية ((الشكل)). الطاقة الكيميائية هي المسؤولة عن تزويد الخلايا الحية بالطاقة من الغذاء. يؤدي كسر الروابط الجزيئية داخل جزيئات الوقود إلى إطلاق الطاقة & # 8217s.

قم بزيارة هذا الموقع وحدد "بندول بسيط" في القائمة (ضمن "Harmonic Motion") لمشاهدة الحركة المتغيرة (K) والطاقة الكامنة (U) للبندول أثناء الحركة.

طاقة حرة

بعد معرفة أن التفاعلات الكيميائية تطلق الطاقة عندما تنكسر روابط تخزين الطاقة ، فإن السؤال التالي المهم هو كيف نحدد التفاعلات الكيميائية ونعبر عنها مع الطاقة المصاحبة لها؟ كيف يمكننا مقارنة الطاقة المنبعثة من تفاعل ما بتفاعل آخر؟ نحن نستخدم مقياسًا للطاقة المجانية لتقدير عمليات نقل الطاقة هذه. يسمي العلماء هذه الطاقة المجانية بالطاقة الحرة Gibbs (اختصارًا بالحرف G) بعد يوشيا ويلارد جيبس ​​، العالم الذي طور القياس. تذكر أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تتضمن جميع عمليات نقل الطاقة فقدان بعض الطاقة في شكل غير قابل للاستخدام مثل الحرارة ، مما يؤدي إلى الانتروبيا. تشير الطاقة الحرة Gibbs على وجه التحديد إلى الطاقة التي تحدث مع تفاعل كيميائي متاح بعد أن نفكر في الانتروبيا. بمعنى آخر ، طاقة جيبس ​​الحرة هي طاقة قابلة للاستخدام ، أو طاقة متاحة للقيام بالعمل.

كل تفاعل كيميائي ينطوي على تغيير في الطاقة الحرة ، يسمى دلتا G (∆G). يمكننا حساب التغير في الطاقة الحرة لأي نظام يخضع لمثل هذا التغيير ، مثل تفاعل كيميائي. لحساب ∆G ، اطرح كمية الطاقة المفقودة في الانتروبيا (المشار إليها بـ ∆S) من تغير الطاقة الكلي للنظام & # 8217s. يسمي العلماء هذا التغيير الكلي للطاقة في المحتوى الحراري للنظام ونشير إليه على أنه ∆H. صيغة حساب ∆G هي كما يلي ، حيث يشير الرمز T إلى درجة الحرارة المطلقة بالكلفن (درجات مئوية + 273):

نعبر عن تفاعل كيميائي & # 8217 s تغيرًا قياسيًا في الطاقة الحرة كمقدار من الطاقة لكل مول من منتج التفاعل (إما بالكيلو جول أو كيلو كالوري ، كيلو جول / مول أو كيلو كالوري / مول 1 كيلو جول = 0.239 كيلو كالوري) تحت درجة الحموضة القياسية ودرجة الحرارة والضغط شروط. نحسب عمومًا ظروف الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة والضغط القياسية عند درجة الحموضة 7.0 في الأنظمة البيولوجية و 25 درجة مئوية و 100 كيلو باسكال (ضغط 1 ضغط جوي) ، على التوالي. لاحظ أن الظروف الخلوية تختلف اختلافًا كبيرًا عن هذه الشروط القياسية ، وبالتالي فإن قيم ∆G المحسوبة القياسية للتفاعلات البيولوجية ستكون مختلفة داخل الخلية.

ردود الفعل Endergonic وردود الفعل Exergonic

إذا تم إطلاق الطاقة أثناء تفاعل كيميائي ، فإن القيمة الناتجة من المعادلة أعلاه ستكون رقمًا سالبًا. بمعنى آخر ، التفاعلات التي تطلق الطاقة لها ∆G & lt 0. وتعني ∆G سالبة أيضًا أن منتجات التفاعل & # 8217s لها طاقة حرة أقل من المواد المتفاعلة ، لأنها تطلق بعض الطاقة الحرة أثناء التفاعل. يطلق العلماء على التفاعلات التي تحتوي على ∆G سلبي وبالتالي تطلق تفاعلات طاردة للطاقة. يفكر: السابقergonic تعني الطاقة السابقiting النظام. نشير أيضًا إلى هذه التفاعلات على أنها تفاعلات عفوية ، لأنها يمكن أن تحدث دون إضافة طاقة إلى النظام. إن فهم التفاعلات الكيميائية العفوية وإطلاق الطاقة الحرة أمر مفيد للغاية لعلماء الأحياء ، لأنه يمكن تسخير هذه التفاعلات لأداء العمل داخل الخلية. يجب أن نفرق بشكل مهم بين مصطلح العفوية وفكرة التفاعل الكيميائي الذي يحدث على الفور. على عكس الاستخدام اليومي للمصطلح ، فإن التفاعل التلقائي ليس رد فعل يحدث فجأة أو بسرعة. صدأ الحديد هو مثال على التفاعل التلقائي الذي يحدث ببطء ، شيئًا فشيئًا ، بمرور الوقت.

إذا كان التفاعل الكيميائي يتطلب مدخلات طاقة بدلاً من إطلاق طاقة ، فإن ∆G لهذا التفاعل سيكون قيمة موجبة. في هذه الحالة ، المنتجات لديها طاقة حرة أكثر من المواد المتفاعلة. وبالتالي ، يمكننا التفكير في التفاعلات & # 8217 المنتجات على أنها جزيئات لتخزين الطاقة. نسمي هذه التفاعلات الكيميائية تفاعلات endergonic وهي غير عفوية. لن يحدث تفاعل مائي من تلقاء نفسه دون إضافة طاقة مجانية.

دعونا نعيد النظر في مثال تركيب وتفكك جزيء الطعام ، الجلوكوز. تذكر أن بناء الجزيئات المعقدة ، مثل السكريات ، من الجزيئات الأبسط هي عملية بنائية وتتطلب طاقة. لذلك ، فإن التفاعلات الكيميائية التي تدخل في عمليات الابتنائية هي تفاعلات مفعمة بالحيوية. بدلا من ذلك ، فإن عملية تقويضية لتحطيم السكر إلى جزيئات أبسط تطلق الطاقة في سلسلة من التفاعلات الطاردة للطاقة. مثل مثال الصدأ أعلاه ، فإن تحلل السكر يتضمن تفاعلات عفوية ، لكن هذه التفاعلات لا تحدث على الفور. يوضح (الشكل) بعض الأمثلة الأخرى للتفاعلات المندفعة للطاقة. ستوفر الأقسام اللاحقة مزيدًا من المعلومات حول ما هو مطلوب أيضًا لجعل ردود الفعل العفوية تحدث بشكل أكثر كفاءة.

انظر إلى كل عملية من العمليات ، وقرر ما إذا كانت مفعمة بالطاقة أو مفرطة الطاقة. في كل حالة ، هل المحتوى الحراري يزيد أم ينقص ، وهل الأنتروبيا تزيد أم تنقص؟

مفهوم مهم في دراسة التمثيل الغذائي والطاقة هو التوازن الكيميائي. معظم التفاعلات الكيميائية قابلة للعكس. يمكنهم المضي قدمًا في كلا الاتجاهين ، وإطلاق الطاقة في بيئتهم في اتجاه واحد ، وامتصاصها من البيئة في الاتجاه الآخر ((الشكل)). وينطبق الشيء نفسه على التفاعلات الكيميائية التي تدخل في عملية التمثيل الغذائي للخلية ، مثل تكسير البروتينات وتكوينها من وإلى الأحماض الأمينية الفردية ، على التوالي. ستخضع المفاعلات داخل نظام مغلق لتفاعلات كيميائية في كلا الاتجاهين حتى تصل إلى حالة توازن ، وهي واحدة من أقل طاقة حرة ممكنة وحالة من الانتروبيا القصوى. لدفع المواد المتفاعلة والمنتجات بعيدًا عن حالة التوازن يتطلب طاقة. يجب إضافة المواد المتفاعلة أو المنتجات أو إزالتها أو تغييرها. إذا كانت الخلية عبارة عن نظام مغلق ، فإن تفاعلاتها الكيميائية ستصل إلى التوازن ، وتموت بسبب عدم وجود طاقة حرة كافية لأداء العمل الضروري للحفاظ على الحياة. في الخلية الحية ، تتجه التفاعلات الكيميائية باستمرار نحو التوازن ، لكنها لا تصل إليه أبدًا. هذا لأن الخلية الحية هي نظام مفتوح. تدخل المواد وتخرج ، تعيد الخلية تدوير نواتج تفاعلات كيميائية معينة إلى تفاعلات أخرى ، ولا يوجد أبدًا توازن كيميائي. وبهذه الطريقة ، تكون الكائنات الحية في معركة شاقة تتطلب طاقة مستمرة ضد التوازن والانتروبيا. يأتي مصدر الطاقة الثابت هذا في النهاية من ضوء الشمس ، الذي ينتج مواد مغذية في عملية التمثيل الضوئي.

طاقة التفعيل

هناك مفهوم مهم آخر يجب أن نضعه في الاعتبار فيما يتعلق بردود الفعل المبطنة للطاقة. حتى التفاعلات المفرطة الطاقة تتطلب قدرًا صغيرًا من مدخلات الطاقة قبل أن تتمكن من المضي قدمًا في خطوات إطلاق الطاقة. هذه التفاعلات لها إطلاق صافٍ للطاقة ، لكنها لا تزال تتطلب بعض الطاقة الأولية. يطلق العلماء على هذه الكمية الصغيرة من مدخلات الطاقة اللازمة لجميع التفاعلات الكيميائية لتحدث طاقة التنشيط (أو الطاقة الحرة للتنشيط) والمختصرة كـ Eأ ((شكل)).

لماذا يتطلب تفاعل ∆G السلبي المطلق للطاقة في الواقع بعض الطاقة للمضي قدمًا؟ يكمن السبب في الخطوات التي تحدث أثناء تفاعل كيميائي. أثناء التفاعلات الكيميائية ، تنكسر بعض الروابط الكيميائية وتتشكل روابط جديدة. على سبيل المثال ، عندما يتحلل جزيء الجلوكوز ، تنكسر الروابط بين الجزيء & # 8217 s ذرات الكربون. نظرًا لأن هذه روابط لتخزين الطاقة ، فإنها تطلق الطاقة عند كسرها. ومع ذلك ، لإدخالها في حالة تسمح بانكسار الروابط ، يجب أن يكون الجزيء ملتويًا إلى حد ما. مطلوب إدخال طاقة صغير لتحقيق هذه الحالة الملتوية. هذه الحالة الملتوية هي الحالة الانتقالية ، وهي حالة عالية الطاقة وغير مستقرة. لهذا السبب ، لا تدوم الجزيئات المتفاعلة وقتًا طويلاً في حالتها الانتقالية ، ولكنها تنتقل بسرعة كبيرة إلى التفاعل الكيميائي & # 8217s الخطوات التالية. توضح مخططات الطاقة المجانية ملفات تعريف الطاقة لتفاعل معين. يحدد ما إذا كان التفاعل طاردًا للطاقة أو ماصًا للطاقة ما إذا كانت المنتجات في الرسم البياني ستكون موجودة في حالة طاقة أقل أو أعلى من كل من المواد المتفاعلة والنواتج. ومع ذلك ، وبغض النظر عن هذا الإجراء ، فإن الحالة الانتقالية للتفاعل توجد في حالة طاقة أعلى من المواد المتفاعلة ، وبالتالي ، فإن Eأ هو دائما ايجابي.

شاهد رسمًا متحركًا للانتقال من الطاقة المجانية إلى حالة الانتقال في هذا الموقع.

من أين تأتي طاقة التنشيط التي تتطلبها المواد الكيميائية المتفاعلة؟ عادةً ما تكون طاقة التنشيط & # 8217s المطلوبة لدفع التفاعلات إلى الأمام هي الطاقة الحرارية من البيئة المحيطة. تعمل الطاقة الحرارية (طاقة الرابطة الكلية للمواد المتفاعلة أو المنتجات في تفاعل كيميائي) على تسريع حركة الجزيء ، مما يزيد من التردد والقوة التي تصطدم بها. كما أنه يحرك الذرات والروابط داخل الجزيء قليلاً ، مما يساعدهم على الوصول إلى حالة الانتقال الخاصة بهم. لهذا السبب ، فإن تسخين النظام سيؤدي إلى تفاعل المواد الكيميائية داخل هذا النظام بشكل متكرر. زيادة الضغط على النظام له نفس التأثير. بمجرد أن تمتص المواد المتفاعلة طاقة حرارية كافية من محيطها للوصول إلى حالة الانتقال ، سيستمر التفاعل.

تحدد طاقة التنشيط لتفاعل معين المعدل الذي سيستمر به. كلما زادت طاقة التنشيط ، كان التفاعل الكيميائي أبطأ. يوضح مثال صدأ الحديد تفاعلًا بطيئًا بطبيعته. يحدث هذا التفاعل ببطء بمرور الوقت بسبب ارتفاع مستوى Eأ. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حرق العديد من أنواع الوقود ، وهو وقود قوي للغاية ، سيحدث بمعدل ضئيل ما لم تتغلب الحرارة الكافية من شرارة على طاقة التنشيط. ومع ذلك ، بمجرد أن تبدأ في الاحتراق ، تطلق التفاعلات الكيميائية حرارة كافية لمواصلة عملية الاحتراق ، مما يوفر طاقة التنشيط لجزيئات الوقود المحيطة. مثل هذه التفاعلات خارج الخلايا ، تكون طاقة التنشيط لمعظم التفاعلات الخلوية عالية جدًا بحيث لا يمكن للطاقة الحرارية التغلب عليها بمعدلات فعالة. بمعنى آخر ، من أجل حدوث تفاعلات خلوية مهمة بمعدلات ملحوظة (عدد التفاعلات لكل وحدة زمنية) ، يجب خفض طاقات التنشيط ((الشكل)). يشير العلماء إلى هذا على أنه محفز. هذا شيء جيد للغاية فيما يتعلق بالخلايا الحية. تخزن الجزيئات الكبيرة المهمة ، مثل البروتينات ، والحمض النووي الريبي ، والحمض النووي الريبي طاقة كبيرة ، ويكون تحللها مفرط الطاقة. إذا وفرت درجات الحرارة الخلوية وحدها طاقة حرارية كافية لهذه التفاعلات الطاقية للتغلب على حواجز التنشيط ، فإن المكونات الأساسية للخلية ستتفكك.

إذا لم تكن هناك حاجة إلى طاقة تنشيط لتفكيك السكروز (سكر المائدة) ، فهل ستتمكن من تخزينه في وعاء السكر؟

ملخص القسم

تأتي الطاقة بأشكال مختلفة. تقوم الأجسام المتحركة بعمل بدني ، والطاقة الحركية هي طاقة الأجسام المتحركة. قد يكون للأشياء غير المتحركة القدرة على القيام بعمل ، وبالتالي لديها طاقة كامنة. تمتلك الجزيئات أيضًا طاقة كامنة لأن كسر الروابط الجزيئية لديه القدرة على إطلاق الطاقة. تعتمد الخلايا الحية على حصد الطاقة الكامنة من الروابط الجزيئية لأداء العمل. الطاقة الحرة هي مقياس للطاقة المتوفرة للقيام بالعمل. يتغير نظام & # 8217s في الطاقة الحرة أثناء عمليات نقل الطاقة مثل التفاعلات الكيميائية ، ويشير العلماء إلى هذا التغيير باسم ∆G.

يمكن أن يكون التفاعل & # 8217s ∆G سالبًا أو إيجابيًا ، مما يعني أن التفاعل يطلق طاقة أو يستهلك طاقة ، على التوالي. التفاعل مع ∆G سالب الذي يعطي طاقة هو تفاعل طارد للطاقة. واحد مع موجب ∆G الذي يتطلب مدخلات الطاقة هو تفاعل مائي. تفاعلات الطاقة المفرطة عفوية لأن منتجاتها تحتوي على طاقة أقل من المواد المتفاعلة الخاصة بها. تتمتع تفاعلات Endergonic & # 8217 بحالة طاقة أعلى من المواد المتفاعلة ، وبالتالي فهذه تفاعلات غير تلقائية. ومع ذلك ، فإن جميع التفاعلات (بما في ذلك التفاعلات العفوية- G) تتطلب مدخلات طاقة أولية من أجل الوصول إلى حالة الانتقال ، والتي ستستمر عندها. هذا المدخل الأولي للطاقة هو طاقة التنشيط.

أسئلة الاتصال المرئي

(الشكل) انظر إلى كل عملية من العمليات ، وقرر ما إذا كانت مفعمة بالطاقة أو مفرطة الطاقة. في كل حالة ، هل المحتوى الحراري يزيد أم ينقص ، وهل الأنتروبيا تزيد أم تنقص؟

(الشكل) تحلل كومة السماد هو عملية زيادة الطاقة الحرارية (يتم إطلاق الطاقة) وتزيد الإنتروبيا (يتم تقسيم الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر). الطفل الذي ينمو من البويضة المخصبة هو عملية مبطنة للطاقة تقل (يتم امتصاص الطاقة) وتقل الانتروبيا. فن الرمل الذي يتم تدميره هو عملية مفرطة الطاقة لا يوجد أي تغيير في المحتوى الحراري ، ولكن الإنتروبيا تزداد. الكرة التي تتدحرج إلى المنحدرات هي عملية إنثالبية مطلقة الطاقة تنخفض (يتم إطلاق الطاقة) ، لكن لا يوجد تغيير في الإنتروبيا.

(الشكل) إذا لم تكن هناك حاجة إلى طاقة تنشيط لتفكيك السكروز (سكر المائدة) ، فهل ستتمكن من تخزينه في وعاء السكر؟

(الشكل) لا. يمكننا تخزين الطاقة الكيميائية بسبب الحاجة إلى التغلب على حاجز انهيارها.

راجع الأسئلة

ضع في اعتبارك تأرجح البندول. أي نوع (أنواع) من الطاقة يرتبط / يرتبط بالبندول في الحالات التالية: i. اللحظة التي يكمل فيها دورة واحدة ، قبل أن يبدأ في التراجع نحو الطرف الآخر ، ii. اللحظة التي تكون في المنتصف بين الطرفين ، والثالث. قبل أن يصل إلى نهاية دورة واحدة (قبل اللحظة الأولى مباشرة).

  1. أنا. المحتملة والحركية ، ثانيا. المحتملة والحركية ، ثالثا. حركية
  2. أنا. المحتملة ، ثانيا. المحتملة والحركية ، ثالثا. المحتملة والحركية
  3. أنا. المحتملة ، ثانيا. الحركية ، ثالثا. المحتملة والحركية
  4. أنا. المحتملة والحركية ، ثانيا. الحركية ثالثا. حركية

أي من المقارنات أو التناقضات التالية بين تفاعلات الطاقة المفرطة وتفاعلات الطاقة غير صحيحة؟

  1. ردود الفعل Endergonic لها موجب ∆G وتفاعلات مفرطة الطاقة لها ∆G سلبي.
  2. تستهلك تفاعلات Endergonic الطاقة وتطلق التفاعلات المطلقة للطاقة الطاقة.
  3. تتطلب كل من التفاعلات الباطنية والطاردة قدرًا صغيرًا من الطاقة للتغلب على حاجز التنشيط.
  4. تحدث تفاعلات Endergonic ببطء وتحدث ردود الفعل المفرطة بسرعة.

أي مما يلي هو أفضل طريقة للحكم على طاقات التنشيط النسبية بين تفاعلين كيميائيين معينين؟

  1. قارن قيم ∆G بين التفاعلين.
  2. قارن معدلات تفاعلهم.
  3. قارن بين ظروفهم البيئية المثالية.
  4. قارن العفوية بين التفاعلين.

أسئلة التفكير النقدي

اشرح بأسلوبك الخاص الفرق بين رد الفعل العفوي والآخر الذي يحدث على الفور ، وما الذي يسبب هذا الاختلاف.

التفاعل العفوي هو الذي يحتوي على ∆G سالب وبالتالي يطلق طاقة. ومع ذلك ، لا يلزم حدوث رد فعل عفوي بسرعة أو فجأة مثل رد فعل فوري. قد يحدث على مدى فترات طويلة بسبب طاقة التنشيط الكبيرة ، مما يمنع التفاعل من الحدوث بسرعة.

صِف موضع الحالة الانتقالية على مقياس طاقة عمودي ، من منخفض إلى مرتفع ، بالنسبة إلى موضع المواد المتفاعلة والمنتجات ، لكل من التفاعلات المفعمة بالطاقة والطاردة.

تكون حالة الانتقال دائمًا أعلى في الطاقة من المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل (لذلك ، أعلاه) ، بغض النظر عما إذا كان التفاعل مردودًا أو طاردًا للطاقة.

قائمة المصطلحات


كتاب الطبيب والكيمياء الحيوية الألماني البريطاني هانز كريبس لعام 1957 تحولات الطاقة في المادة الحية (كتب مع Hans Kornberg) [1] كان أول منشور رئيسي عن الديناميكا الحرارية للتفاعلات الكيميائية الحيوية. بالإضافة إلى ذلك ، احتوى الملحق على أول جداول ديناميكية حرارية منشورة على الإطلاق ، كتبها كينيث بيرتون ، لاحتواء ثوابت التوازن وطاقة جيبس ​​الحرة للتكوينات للأنواع الكيميائية ، القادرة على حساب التفاعلات الكيميائية الحيوية التي لم تحدث بعد.

تم تطبيق الديناميكا الحرارية غير المتوازنة لشرح كيف يمكن للكائنات البيولوجية أن تتطور من الفوضى. طور إيليا بريغوجين طرقًا للمعالجة الديناميكية الحرارية لمثل هذه الأنظمة. وقد أطلق على هذه الأنظمة أنظمة تبديد ، لأنها تتشكل وتحافظ عليها عمليات التبديد التي تتبادل الطاقة بين النظام وبيئته ، ولأنها تختفي إذا توقف هذا التبادل. يمكن القول إنهم يعيشون في تعايش مع بيئتهم. تعتمد تحولات الطاقة في علم الأحياء بشكل أساسي على التمثيل الضوئي. يبلغ إجمالي الطاقة التي يتم التقاطها من خلال عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء من الإشعاع الشمسي حوالي 2 × 10 23 جول من الطاقة سنويًا. [2] تبلغ الطاقة السنوية التي يتم التقاطها من خلال عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء حوالي 4٪ من إجمالي طاقة ضوء الشمس التي تصل إلى الأرض. إن تحولات الطاقة في المجتمعات البيولوجية المحيطة بالفتحات الحرارية المائية هي استثناءات لأنها تؤكسد الكبريت ، وتحصل على طاقتها من خلال التركيب الكيميائي بدلاً من التمثيل الضوئي.

يركز مجال الديناميكا الحرارية البيولوجية على مبادئ الديناميكا الحرارية الكيميائية في علم الأحياء والكيمياء الحيوية. تشمل المبادئ التي يتم تناولها القانون الأول للديناميكا الحرارية ، والقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، وطاقة جيبس ​​الحرة ، والديناميكا الحرارية الإحصائية ، وحركية التفاعل ، وفرضيات أصل الحياة. في الوقت الحاضر ، تهتم الديناميكا الحرارية البيولوجية بدراسة الديناميات الكيميائية الحيوية الداخلية مثل: التحلل المائي لـ ATP ، واستقرار البروتين ، وربط الحمض النووي ، وانتشار الغشاء ، وحركية الإنزيم ، [3] وغيرها من المسارات الأساسية التي يتم التحكم فيها عن طريق الطاقة. من حيث الديناميكا الحرارية ، يتم قياس كمية الطاقة القادرة على القيام بعمل أثناء تفاعل كيميائي كميًا بالتغير في طاقة جيبس ​​الحرة. حاول عالم الأحياء الفيزيائية ألفريد لوتكا توحيد التغيير في طاقة جيبس ​​الحرة مع نظرية التطور.

تحويل الطاقة في النظم البيولوجية

الشمس هي المصدر الأساسي للطاقة للكائنات الحية. تحتاج بعض الكائنات الحية مثل النباتات إلى ضوء الشمس مباشرة بينما يمكن للكائنات الأخرى مثل البشر الحصول على الطاقة من الشمس بشكل غير مباشر. [4] ومع ذلك ، هناك دليل على أن بعض البكتيريا يمكن أن تزدهر في البيئات القاسية مثل القارة القطبية الجنوبية كدليل من الطحالب الخضراء المزرقة تحت طبقات سميكة من الجليد في البحيرات. بغض النظر عن نوع الأنواع الحية ، يجب على جميع الكائنات الحية التقاط الطاقة ونقلها وتخزينها واستخدامها للعيش.

العلاقة بين طاقة ضوء الشمس الوارد وطولها الموجي λ أو التردد ν تعطى بواسطة

أين ح هل ثابت بلانك (6.63x10 −34 Js) و ج هي سرعة الضوء (2.998x10 8 م / ث). تحبس النباتات هذه الطاقة من ضوء الشمس وتخضع لعملية التمثيل الضوئي ، وتحول الطاقة الشمسية بشكل فعال إلى طاقة كيميائية. لنقل الطاقة مرة أخرى ، ستتغذى الحيوانات على النباتات وتستخدم طاقة المواد النباتية المهضومة لإنشاء جزيئات بيولوجية كبيرة.

نظرية التطور الديناميكي الحراري

يمكن تفسير التطور البيولوجي من خلال نظرية الديناميكا الحرارية. تُستخدم القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية لتأطير النظرية البيولوجية وراء التطور. ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة. لا توجد حياة تستطيع أن تخلق الطاقة ولكن يجب أن تحصل عليها من خلال بيئتها. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه يمكن تحويل الطاقة وهذا يحدث كل يوم في أشكال الحياة. نظرًا لأن الكائنات الحية تأخذ الطاقة من بيئتها ، فيمكنها تحويلها إلى طاقة مفيدة. هذا هو أساس الديناميكيات الاستوائية.

المثال العام هو أن النظام المفتوح يمكن تعريفه على أنه أي نظام بيئي يتحرك نحو تعظيم تشتت الطاقة. كل الأشياء تسعى جاهدة نحو إنتاج أقصى قدر من الانتروبيا ، والذي يحدث من حيث التطور في التغيرات في الحمض النووي لزيادة التنوع البيولوجي. وبالتالي ، يمكن ربط التنوع بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية. يمكن أيضًا القول بأن التنوع هو عملية انتشار تنتشر نحو توازن ديناميكي لتعظيم الانتروبيا. لذلك ، يمكن للديناميكا الحرارية أن تشرح اتجاه ومعدل التطور جنبًا إلى جنب مع اتجاه ومعدل التعاقب. [5]

تحرير القانون الأول للديناميكا الحرارية

القانون الأول للديناميكا الحرارية هو بيان للحفاظ على الطاقة على الرغم من أنه يمكن تغييرها من شكل إلى آخر ، لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها. [6] من القانون الأول نشأ مبدأ يسمى قانون هس. ينص قانون هيس على أن الحرارة الممتصة أو المطورة في تفاعل معين يجب أن تكون دائمًا ثابتة ومستقلة عن الطريقة التي يحدث بها التفاعل. على الرغم من أن بعض التفاعلات الوسيطة قد تكون ماصة للحرارة والبعض الآخر قد يكون طاردًا للحرارة ، فإن التبادل الحراري الكلي يساوي التبادل الحراري لو حدثت العملية مباشرة. هذا المبدأ هو أساس المسعر ، وهو جهاز يستخدم لتحديد كمية الحرارة في تفاعل كيميائي. نظرًا لأن كل الطاقة الواردة تدخل الجسم كطعام وتتأكسد في النهاية ، يمكن تقدير إجمالي إنتاج الحرارة عن طريق قياس الحرارة الناتجة عن أكسدة الطعام في جهاز قياس السعرات الحرارية. يتم التعبير عن هذه الحرارة بالسعرات الحرارية ، وهي الوحدة الشائعة للطاقة الغذائية الموجودة في ملصقات التغذية. [7]

تعديل القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يهتم القانون الثاني للديناميكا الحرارية في المقام الأول بما إذا كانت عملية معينة ممكنة أم لا. ينص القانون الثاني على أنه لا يمكن أن تحدث أي عملية طبيعية ما لم تكن مصحوبة بزيادة في إنتروبيا الكون. [8] وبصورة مختلفة ، يميل النظام المعزول دائمًا إلى الفوضى. غالبًا ما يُعتقد خطأً أن الكائنات الحية تتحدى القانون الثاني لأنها قادرة على زيادة مستوى تنظيمها. لتصحيح هذا التفسير الخاطئ ، يجب على المرء أن يشير ببساطة إلى تعريف الأنظمة والحدود. الكائن الحي هو نظام مفتوح قادر على تبادل كل من المادة والطاقة مع بيئته. على سبيل المثال ، يأخذ الإنسان الطعام ، ويقسمه إلى مكوناته ، ثم يستخدمها لبناء الخلايا والأنسجة والأربطة ، وما إلى ذلك. هذه العملية تزيد من النظام في الجسم ، وبالتالي تقلل الانتروبيا. ومع ذلك ، فإن البشر أيضًا 1) ينقلون الحرارة إلى الملابس والأشياء الأخرى التي يتلامسون معها ، 2) يولدون الحمل الحراري بسبب الاختلافات في درجة حرارة الجسم والبيئة ، 3) يشع الحرارة في الفضاء ، 4) يستهلكون المواد المحتوية على الطاقة (أي ، الغذاء) ، و 5) التخلص من النفايات (مثل ثاني أكسيد الكربون والماء ومكونات أخرى مثل التنفس والبول والبراز والعرق ، وما إلى ذلك). عند أخذ كل هذه العمليات في الاعتبار ، يزداد إجمالي إنتروبيا النظام الأكبر (أي الإنسان وبيئته / بيئته). عندما يتوقف الإنسان عن العيش ، لا تحدث أي من هذه العمليات (1-5) ، وأي انقطاع في العمليات (خاصة 4 أو 5) سيؤدي بسرعة إلى المراضة و / أو الوفاة.

تحرير جيبس ​​للطاقة الحرة

في الأنظمة البيولوجية ، تتغير الطاقة والانتروبيا بشكل عام معًا. لذلك ، من الضروري أن تكون قادرًا على تحديد وظيفة الدولة التي تفسر هذه التغييرات في وقت واحد. وظيفة الحالة هذه هي طاقة جيبس ​​الحرة ، جي.

  • ح هل المحتوى الحراري (وحدة النظام الدولي: جول)
  • تي هي درجة الحرارة (SI unit: kelvin)
  • س هل الانتروبيا (SI unit: joule per kelvin)

يمكن استخدام التغيير في Gibbs Free Energy لتحديد ما إذا كان تفاعل كيميائي معين يمكن أن يحدث تلقائيًا. إذا ∆جي سلبيًا ، يمكن أن يحدث التفاعل تلقائيًا. وبالمثل ، إذاجي إيجابي ، رد الفعل غير تلقائي. [9] يمكن "اقتران" التفاعلات الكيميائية معًا إذا كانا يتشاركان في وسيطة. في هذه الحالة ، التغيير الإجمالي في الطاقة الحرة في جيبس ​​هو ببساطة مجموع ∆جي قيم لكل تفاعل. لذلك ، رد فعل غير موات (إيجابي ∆جي1) من خلال رد فعل ثانٍ إيجابي للغاية (سلبي ∆جي2 حيث حجم ∆جي2 & GT حجم ∆جي1). على سبيل المثال ، تفاعل الجلوكوز مع الفركتوز لتكوين السكروز له ∆جي قيمة +5.5 كيلو كالوري / مول. لذلك ، لن يحدث هذا التفاعل تلقائيًا. يحتوي انهيار ATP لتشكيل ADP والفوسفات غير العضوي على ∆جي قيمة -7.3 كيلو كالوري / مول. يمكن أن يقترن هذان التفاعلان معًا ، بحيث يرتبط الجلوكوز بـ ATP لتكوين الجلوكوز -1 فوسفات و ADP. عندئذٍ يكون الجلوكوز -1 فوسفات قادرًا على الارتباط بالفركتوز الذي ينتج السكروز والفوسفات غير العضوي. ∆جي قيمة التفاعل المقترن هي -1.8 كيلو كالوري / مول ، مما يشير إلى أن التفاعل سيحدث تلقائيًا. مبدأ اقتران التفاعلات لتغيير التغيير في طاقة جيبس ​​الحرة هو المبدأ الأساسي وراء كل الإجراءات الأنزيمية في الكائنات الحية. [10]


شاهد الفيديو: Nuclear Reactions, Radioactivity, Fission and Fusion (كانون الثاني 2022).