6.2: Потенційна, кінетична, вільна та енергія активації

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1754

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Визначте «енергетику»
Поясніть різницю між кінетичною та потенційною енергією
Обговорити поняття вільної енергії та енергії активації
Опишіть ендергонічні та ексергонічні реакції

Енергія визначається як здатність виконувати роботу. Як ви дізналися, енергія існує в різних формах. Наприклад, електрична енергія, світлова енергія та теплова енергія - це все різні види енергії. Хоча це всім знайомі види енергії, які можна побачити або відчути, є інший тип енергії, який набагато менш відчутний. Ця енергія пов'язана з чимось таким простим, як об'єкт, що тримається над землею. Для того, щоб оцінити спосіб надходження енергії в біологічні системи та з них, важливо більше розуміти різні типи енергії, які існують у фізичному світі.

види енергії

Коли об'єкт знаходиться в русі, є енергія, пов'язана з цим об'єктом. У прикладі літака в польоті є велика кількість енергії, пов'язаної з рухом літака. Це пов'язано з тим, що рухомі об'єкти здатні вносити зміни або виконувати роботу. Подумайте про кулю, що руйнує. Навіть повільно рухається шкідництво м'яч може завдати великої шкоди іншим об'єктам. Однак шкідницький м'яч, який не знаходиться в русі, нездатний виконувати роботу. Енергія, пов'язана з об'єктами в русі, називається кінетичною енергією. Куля, що перевищує швидкість, ходьба людина, швидкий рух молекул у повітрі (який виробляє тепло) та електромагнітне випромінювання, як світло, мають кінетичну енергію.

Що робити, якщо той самий нерухомий шкідницький куля піднятий на два поверхи над автомобілем з краном? Якщо підвішений шкідницький куля не рухається, чи є з ним пов'язана енергія? Відповідь - так. Підвішений шкідницький куля має пов'язану з ним енергію, яка принципово відрізняється від кінетичної енергії об'єктів, що знаходяться в русі. Ця форма енергії є результатом того, що є потенціал для шкідника, щоб зробити роботу. Якщо він буде випущений, дійсно це буде працювати. Оскільки цей тип енергії відноситься до потенціалу для роботи, його називають потенційною енергією. Об'єкти передають свою енергію між кінетичною та потенціалом наступним чином: Коли куля, що руйнує, висить нерухомо, він має 0 кінетичної та 100-відсоткової потенційної енергії. Після його звільнення його кінетична енергія починає збільшуватися, оскільки вона нарощує швидкість завдяки гравітації. При цьому, наближаючись до землі, вона втрачає потенційну енергію. Десь середини осені він має 50 відсотків кінетичної та 50 відсотків потенційної енергії. Безпосередньо перед тим, як він потрапив у землю, м'яч майже втратив потенційну енергію і має майже максимальну кінетичну енергію. Інші приклади потенційної енергії включають енергію води, що проводиться за греблі (рис.\(\PageIndex{1}\)), або людина збирається стрибати з парашутом з літака.

На фото зліва видно воду за дамбою. На фото праворуч зображений водоспад. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Вода за греблею має потенційну енергію. Рухома вода, наприклад, у водоспаді або швидко тече річці, має кінетичну енергію. (Кредит «гребля»: модифікація роботи «Паскаль» /Flickr; кредит «водоспад»: модифікація роботи Френка Гуальтьєрі)

Потенційна енергія пов'язана не тільки з розташуванням речовини (наприклад, дитина, що сидить на гілці дерева), але і з будовою матерії. Пружина на землі має потенційну енергію, якщо вона стиснута; так само як і гумка, яка натягується туго. Саме існування живих клітин в значній мірі спирається на структурну потенційну енергію. На хімічному рівні зв'язки, які утримують атоми молекул разом, мають потенційну енергію. Пам'ятайте, що анаболічні клітинні шляхи вимагають енергії для синтезу складних молекул з більш простих, а катаболічні шляхи вивільняють енергію, коли складні молекули розщеплюються. Той факт, що енергія може вивільнятися при розпаді певних хімічних зв'язків, означає, що ці зв'язки мають потенційну енергію. Насправді існує потенційна енергія, що зберігається в зв'язках всіх харчових молекул, які ми їмо, яка врешті-решт використовується для використання. Це тому, що ці зв'язки можуть виділяти енергію при розриві. Тип потенційної енергії, яка існує всередині хімічних зв'язків, і виділяється при розриві цих зв'язків, називається хімічною енергією (рис.\(\PageIndex{2}\)). Хімічна енергія відповідає за забезпечення живих клітин енергією з їжі. Вивільнення енергії відбувається шляхом розриву молекулярних зв'язків всередині молекул палива.

Молекулярна формула октану (зверху), яка являє собою ланцюжок з восьми вуглеців і вісімнадцяти воднів, підживлює гоночний автомобіль, що рухається по трасі (знизу). — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Молекули в бензині (октан, показана хімічна формула) містять хімічну енергію всередині хімічних зв'язків. Ця енергія трансформується в кінетичну енергію, що дозволяє автомобілю мчати на іподромі. (Кредит «автомобіль»: модифікація роботи Рассела Троу)

Посилання на навчання

Відвідайте цей сайт і виберіть «Простий маятник» в меню (у розділі «Гармонічний рух»), щоб побачити зміщення кінетичної (K) та потенційної енергії (U) маятника в русі.

Вільна енергія

Дізнавшись, що хімічні реакції виділяють енергію, коли розриваються енергозберігаючі зв'язки, важливим наступним питанням є те, як кількісно і виражається енергія, пов'язана з хімічними реакціями? Як можна порівняти енергію, що виділяється в результаті однієї реакції, з енергією іншої реакції? Вимірювання вільної енергії використовується для кількісного визначення цих енергетичних передач. Вільною енергією Гіббса називається вільна енергія (скорочено буквою G) після Джосії Віллард Гіббса, вченого, який розробив вимірювання. Нагадаємо, що згідно з другим законом термодинаміки всі передачі енергії передбачають втрату деякої кількості енергії в непридатному вигляді, такому як тепло, в результаті чого виникає ентропія. Вільна енергія Гіббса конкретно відноситься до енергії, пов'язаної з хімічною реакцією, яка доступна після обліку ентропії. Іншими словами, вільна енергія Гіббса - це корисна енергія, або енергія, яка доступна для роботи.

Кожна хімічна реакція передбачає зміну вільної енергії, яка називається дельта G (ΔG). Зміна вільної енергії можна розрахувати для будь-якої системи, яка зазнає такої зміни, як хімічна реакція. Щоб обчислити ΔG, відніміть кількість енергії, втраченої до ентропії (позначається як ΔS) із загальної зміни енергії системи. Ця загальна зміна енергії в системі називається ентальпією і позначається як ΔH. Формула розрахунку ΔG виглядає наступним чином, де символ T позначає абсолютну температуру в Кельвіні (градуси Цельсія + 273):

Дивіться анімацію переходу від вільної енергії до перехідного стану на цьому сайті.

Звідки береться енергія активації, необхідна хімічним реагентам? Джерелом енергії активації, необхідної для просування реакцій вперед, зазвичай є теплова енергія з навколишнього середовища. Теплова енергія (загальна енергія зв'язку реагентів або продуктів в хімічній реакції) прискорює рух молекул, збільшуючи частоту і силу, з якою вони стикаються; вона також трохи переміщує атоми і зв'язки всередині молекули, допомагаючи їм досягти свого перехідного стану. З цієї причини нагрівання системи призведе до того, що хімічні реагенти в цій системі реагуватимуть частіше. Збільшення тиску на систему має такий же ефект. Після того, як реагенти поглинуть достатню кількість теплової енергії з оточення, щоб досягти перехідного стану, реакція продовжиться.

Енергія активації конкретної реакції визначає швидкість, з якою вона буде протікати. Чим вище енергія активації, тим повільніше буде протікати хімічна реакція. Приклад іржавіння заліза ілюструє за своєю суттю повільну реакцію. Ця реакція відбувається повільно з часом через її високого E _A. Крім того, спалювання багатьох видів палива, яке є сильно ексергонічним, буде відбуватися з незначною швидкістю, якщо їх енергія активації не буде подолана достатнім теплом від іскри. Однак, як тільки вони починають горіти, хімічні реакції виділяють достатньо тепла, щоб продовжити процес горіння, постачаючи енергію активації для навколишніх молекул палива. Як і ці реакції поза клітинами, енергія активації для більшості клітинних реакцій занадто висока, щоб теплова енергія могла подолати ефективними темпами. Іншими словами, для того, щоб важливі клітинні реакції відбувалися з помітними швидкостями (кількість реакцій в одиницю часу), їх енергії активації повинні бути знижені (рис.\(\PageIndex{1}\)\(\PageIndex{5}\)); це називається каталізом. Це дуже хороша річ, що стосується живих клітин. Важливі макромолекули, такі як білки, ДНК та РНК, зберігають значну енергію, і їх розпад є ексергональним. Якщо клітинні температури самі по собі забезпечують достатню кількість теплової енергії для цих ексергонічних реакцій, щоб подолати їх активаційні бар'єри, основні компоненти клітини розпадуться.

Мистецтво З'єднання

Цей сюжет показує енергію активації для ексергонічної реакції. У міру протікання реакції енергія спочатку збільшується для подолання енергії активації. У каталізованої реакції енергія активації набагато нижче. Потім енергія зменшується таким чином, що вільна енергія Гіббса продуктів менше, ніж у реагентів. Енергія активації - це пік енергетичної ділянки мінус енергія реагентів. Вільна енергія Гіббса - це енергія продуктів мінус енергія реагентів. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Енергія активації - це енергія, необхідна для протікання реакції, і вона нижча, якщо реакція каталізується. Горизонтальна вісь цієї діаграми описує послідовність подій у часі.

Якби не потрібна енергія активації для розщеплення сахарози (столового цукру), чи змогли б ви зберігати її в цукровій мисці?

Резюме

Енергія надходить в самих різних формах. Об'єкти в русі виконують фізичну роботу, а кінетична енергія - це енергія об'єктів, що знаходяться в русі. Об'єкти, які не перебувають у русі, можуть мати потенціал для роботи, і, отже, мати потенційну енергію. Молекули також мають потенційну енергію, оскільки розрив молекулярних зв'язків має потенціал для вивільнення енергії. Живі клітини залежать від збору потенційної енергії з молекулярних зв'язків для виконання роботи. Вільна енергія - це міра енергії, яка доступна для роботи. Вільна енергія системи змінюється під час передачі енергії, таких як хімічні реакції, і ця зміна називається ΔG.

ΔG реакції може бути негативним або позитивним, тобто реакція виділяє енергію або споживає енергію відповідно. Реакція з негативним ΔG, що виділяє енергію, називається ексергонічної реакцією. Один з позитивним ΔG, який вимагає введення енергії, називається ендергонічною реакцією. Ексергонічні реакції, як кажуть, спонтанні, оскільки їх продукти мають менше енергії, ніж їх реагенти. Продукти ендергонічних реакцій мають більш високий енергетичний стан, ніж реагенти, і тому це неспонтанні реакції. Однак всі реакції (включаючи спонтанні реакції -ΔG) вимагають початкового введення енергії, щоб досягти перехідного стану, при якому вони будуть протікати. Цей початковий вхід енергії називається енергією активації.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Подивіться на кожен із показаних процесів і вирішіть, чи є він ендергонічним або ексергонічним. У кожному випадку ентальпія збільшується або зменшується, а ентропія збільшується або зменшується?

Відповідь: Розкладання компостної купи - ексергонічний процес; збільшується ентальпія (виділяється енергія) і збільшується ентропія (великі молекули розщеплюються на більш дрібні). У малюка, що розвивається з заплідненої яйцеклітини, є ендергонічним процесом; зменшується ентальпія (енергія всмоктується) і зменшується ентропія. Пісочне мистецтво руйнується є ексергонічним процесом; немає змін в ентальпії, але ентропія збільшується. Куля, що котиться вниз - ексергонічний процес; зменшується ентальпія (виділяється енергія), але зміни ентальпії не відбувається.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Якби не потрібна енергія активації для розщеплення сахарози (столового цукру), чи змогли б ви зберігати її в цукровій мисці?

Відповідь: Ні. Ми можемо зберігати хімічну енергію через необхідність подолання бар'єру на шляху її пробою.

Глосарій

енергія активації: енергія, необхідна для того, щоб відбулися реакції

хімічна енергія: потенційна енергія в хімічних зв'язках, яка виділяється, коли ці зв'язки розриваються

ендергонічних: описує хімічні реакції, що вимагають введення енергії

ентальпія: загальна енергія системи

ексергонічний: описує хімічні реакції, які виділяють вільну енергію

вільна енергія: Вільна енергія Гіббса - це корисна енергія, або енергія, яка доступна для роботи.

теплова енергія: загальна енергія зв'язку реагентів або продуктів в хімічній реакції

кінетична енергія: тип енергії, пов'язаної з об'єктами або частинками в русі

потенційна енергія: тип енергії, яка має потенціал для роботи; накопичена енергія

перехід стан: високоенергетичний, нестійкий стан (проміжна форма між субстратом і продуктом), що виникає в ході хімічної реакції