Premena energie v prírode

Chemické reakcie sú deje, pri ktorých dochádza k premene jednej skupiny zlúčenín, reaktantov, na zlúčeniny iné, produkty.

Podobne ako väčšina reakcií v chémii (a takmer všetky v biochémii) je aj táto reakcia vratná. Znamená to, že môže prebiehať v oboch smeroch. K zastaveniu jej priebehu dôjde potom, čo sa určité množstvo železa zredukuje a určité množstvo medi sa zoxiduje.

Hovoríme, že v tomto okamihu dosiahla reakcia rovnovážneho stavu, tzn. že v rovnovážnom stave sa súčin koncentrácií produktov a reaktantov zhoduje. Predpokladajme, že rovnovážna konštanta pre reakciu (1) sa rovná 1.

Ak teraz do systému pridáme viac zlúčeniny A, porušíme tak nastolenú rovnováhu, a reakcia sa preto naštartuje v smere, ktorý sa bude snažiť opäť obnoviť pôvodný stav. V našom prípade bude látka A reagovať s látkou B za vzniku látok C a D tak dlho, dokiaľ sa opäť súčiny koncentrácií ([A]·[B] a [C]·[D]) nevyrovnajú a nedosiahne sa stav novej rovnováhy.

Pokúsme sa priblížiť, prečo chemické reakcie prebiehajú ako odpoveď na zmeny v systéme. Pomôže analógia s hojdačkou. Jev môžeme vysvetliť pomocou potenciálnej energie oboch ľudí v gravitačnom poli Zeme. Gravitačná potenciálna energia závisí na hmotnosti a polohe predmetu v gravitačnom poli.

Čtěte také: Vysvětlení koloběhu vody

Podobne možno definovať chemický potenciál μ ako potenciálnu energiu obsiahnutú v určitom množstve látky, ktorá sa môže počas chemickej reakcie uvoľniť. Analogicky k nášmu príkladu s hojdačkou sú na oboch stranách chemickej rovnice látky s rôznym potenciálom. Ak súčet chemických potenciálov reaktantov prevyšuje potenciál produktov, bude reakcia prebiehať zľava doprava, a naopak.

Rozdiel chemických potenciálov produktov a reaktantov súvisí s termodynamickou funkciou nazývanou zmena Gibbsovej energie (ΔG). Ak reakcia začne len so zmesou reaktantov, bude prebiehať smerom k produktom tak dlho, dokiaľ bude ΔG negatívna. Nadobudne-li chemický potenciál produktov rovnaké hodnoty ako u reaktantov, systém dosiahol stav najnižšej energie a reakcia sa zastaví. Reakčná zmes je teraz v rovnováhe.

Entropia sa často považuje za mieru neusporiadanosti systému. Z rovnice (5) vyplýva, že chemická reakcia môže byť poháňaná (tzn. z praktických dôvodov je vhodné definovať štandardné podmienky, za ktorých sa ΔG a iné veličiny zmerajú, a potom ich použiť k výpočtom za skutočných situácií. V chémii sa považujú za štandardné podmienky tlak 101 325 Pa, teplota 25 °C (298,15 K) a jednotková aktivita (zjednodušene teda jednomolárna koncentrácia všetkých látok). Veličiny, ktoré v týchto podmienkach zmeriame, sa označujú indexom 0.

V rovnovážnom stave je ΔG rovné nule a výraz je roven rovnovážnej konštante Keq. Snadná dostupnosť hodnôt ΔG0 môže viesť k uponáhľaným záverom o nemožnosti priebehu reakcie pri nájdení pozitívnych hodnôt ΔG0 v tabuľkách.

Metabolická dráha glykolýzy obsahuje krok, v ktorom dochádza k premene glukóza-6-fosfátu na izomér, fruktóza-6-fosfát. ΔG0‘ tejto reakcie činí +1,7 kJ/mol. Je dôležité mať na pamäti rozdiel medzi ΔG a ΔG0 a ΔG0‘. Len samotné ΔG nám môže prezradiť niečo o termodynamickom profile konkrétnej reakcie. Hodnoty ΔG0 a ΔG0‘ platí len pri zachovaní štandardných podmienok, ktoré ale sú v prírode veľmi zriedka (ak vôbec) prítomny.

Čtěte také: Odpady jako zdroje

V našom prípade enzýmov dochádza ich činnosťou k neustálemu odstraňovaniu fruktóza-6-fosfátu, a tak sa jeho koncentrácia udržuje nízka. Celkové ΔG izomerizácie Glc-6-P na Fru-6-P je vďaka tomu za podmienok, ktoré sú v bunke, záporné (−2,5 kJ/mol). Ak reakcia premeny A → B dosahuje rovnovážneho stavu s nízkou koncentráciou látky B, môžeme ju združiť s reakciou premeny B → C, ktorá naopak dosahuje rovnovážneho stavu iba pri nízkych koncentráciách reaktantu B.

Redoxné reakcie

Chemické reakcie, pri ktorých dochádza ku zmene oxidačných čísel prvkov, sa nazývajú redoxné reakcie. Pri oxidácii sa oxidačné číslo zvyšuje, pri redukcii sa znižuje.

Ponoříme-li zinkovú tyč do roztoku síranu zinečnatého, spustí sa reakcia, pri ktorej kovový zinok odovzdáva dva elektróny a mení sa na Zn2+, dokiaľ sa znovu nenastolí rovnováha. Proces vedie k hromadeniu elektrického náboje, ktorý označujeme ako elektrodový potenciál (E). Ten lze měřit nepřímo, jako rozdíl vůči jinému potenciálu.

K překonání problému s měřením absolutního potenciálu vymysleli chemici malý trik: zvolili si jednu z elektrod a rozhodli, že se její potenciál považuje za nulový. Jde o tzv. standardní vodíkovou elektrodu. Množství elektrického náboje (i hodnota elektrodového potenciálu) souvisí s rovnovážnou konstantou reakce.

Vzpomeňme si, že ΔG odpovídá maximálnímu množství práce, kterou systém může vykonat. V elektrickém poli je práce konána přesouváním náboje přes rozdíl potenciálů (podobně jako je mechanická práce konána přesouváním hmoty v gravitačním poli). Mimo standardní podmínky má tato tzv. Jak lze tyto rovnice použít k odhadu toho, zda určitá redoxní reakce bude či nebude probíhat?

Čtěte také: Ekosystémy a neolitická revoluce

Rozhodující hodnotu opět představuje hodnota ΔG příslušné reakce. Zinek se oxiduje, zatímco měď redukuje. Standardní elektrodové potenciály se v tabulkách obvykle uvádějí jako redukce, takže hodnota E0 pro oxidaci zinku musí být vynásobena −1. Obě poloreakce pak dohromady tvoří celkový potenciál reakce. V tomto případě je E0Zn/Zn2+ = +0,76 V (po obrácení znaménka) a E0Cu2+/Cu = +0,34 V.

Celkový rozdíl potenciálů tedy činí +1,1 V. Pro reakci (11) probíhající ve standardních podmínkách je celkový potenciálový rozdíl kladný, což znamená, že ΔG (v našem případě ΔG0) je záporné a reakce bude probíhat spontánně.

Všichni vědí, že hoření dřeva ve vzduchu uvolňuje velké množství energie, kterou lze proměnit na práci. Oxidace celulózy dřeva kyslíkem na vodu a oxid uhličitý musí mít negativní hodnoty ΔG. Jak to, že v naší atmosféře bohaté na kyslík vůbec ještě nějaké lesy stojí?

Některé reakce mohou být termodynamicky uskutečnitelné, ale kineticky nepravděpodobné. Tento fenomén, nazývaný kinetická bariéra, je způsoben existencí nestálých přechodných stavů (aktivovaných komplexů). Ty se vytvoří jen při dodání většího množství energie (vznik aktivovaného komplexu je termodynamicky nepříznivý). Aby mohly spolu dvě či více látek reagovat, musí dojít ke srážce jejich molekul.

Kinetika reakcií

Reakční rychlost (v) můžeme definovat jako rychlost úbytku reaktantů či rychlost přírůstku produktů, tedy např. Zabývejme se podrobněji vztahem mezi rychlostí reakce a koncentrací reaktantů. Uvažujme jednoduchou reakci X → Y. V některých případech může být rychlost úměrná [X]2, může na [X] záviset složitěji, nebo naopak nemusí být na [X] závislá vůbec vůbec (v takovém případě probíhá reakce konstantní rychlostí).

Chemici definují kinetický řád reakce podle počtu členů, jejichž koncentrace ovlivňují rychlost. Pokud rychlost na koncentraci nezávisí, a tedy platí rovnice v = k, hovoříme o řádu nultém. Je-li rychlost přímo úměrná koncentraci jednoho z reaktantů, jedná se o kinetiku prvního řádu (jako v případě výše uvedené reakce (15)).

Někdy chceme předpovědět, jaké množství reaktantu X zůstane nezreagováno po čase t od začátku reakce, nebo jak dlouho potrvá, než [X] klesne na polovinu. Řešením pro počátek reakce, tj. Tato rovnice popisuje exponenciální pokles koncentrace X v čase. Užitečným parametrem exponenciálního rozkladu je čas potřebný na snížení počáteční koncentrace (či množství) látky X na polovinu. Nazývá se poločas (t1/2).

tags: #premena #energie #v #prirode

Oblíbené příspěvky:

• Tipy na výlety v okolí Brna
• Zkušenosti s kotli OPOP
• CHKO Broumovsko a vlci
• Kontejnery na odpad Bruntál: Ceny a tipy
• Nakládání s odpady - MENHIR Praha