はじめに
エントロピーとエンタルピーの両方の変化を説明するために、J. ウィラード ギブスは、ギブス エネルギー変化またはギブス ポテンシャル G と呼ばれる新しい関数を定義しました。この関数は、圧力と温度の変化とは無関係です。ギブス エネルギーの変化は、システムの状態のみに依存し、その状態がどのように達成されたかには依存しません。
標準条件下での構成元素からの化合物の形成に関連するギブス エネルギーの変化は、標準ギブス自由形成エネルギーとして知られています。速度や平衡などのプロセスの自由エネルギーの概念と、調査中のプロセスまたはその他の標準的な反応である標準的なプロセスの自由エネルギーは、多くの場合平衡です。
標準ギブズ自由エネルギー
一定の圧力と温度で熱力学的システムによって実行できる最大仕事 (または可逆) 仕事は、ギブス エネルギーとして知られています。熱力学における可逆仕事とは、システムがその環境と完全に平衡するように仕事が実行される方法を意味します。化学反応に関して、可逆という言葉は、反応が両方向で同時に実行でき、動的平衡が常に維持されることを意味します。これはさらに、反応が自由エネルギーの減少とともに両方向に進行することを意味しますが、これは不可能と思われます。これは、平衡状態でシステムのギブス エネルギーが最小値に達した場合にのみ可能です。そうしないと、システムは自然に より低い自由エネルギーの構成に切り替わります。
ギブスの自由エネルギーの方程式/式
熱力学系が温度や圧力などの集中的な特性であり、広範な特性 (U、G、A) が一定である場合、熱力学系は平衡状態にあると言えます。以下の式を見ると、反応が可逆的で、ギブスの自由エネルギーがゼロの場合、システムは平衡状態にあると言えます。
吸熱反応用
反応が吸熱的であるためには、反応のエンタルピーの変化の値 (ΔrH) は大きく正であり、このプロセスは 2 つの条件の下で自発的です:-
- ギブスの自由エネルギー値を負にするには、温度を非常に高くする必要があります。
- ギブスの自由エネルギーを負にするためには、エントロピーの変化を非常に大きくする必要があります。
発熱反応用
反応が発熱的であるためには、システムのエンタルピー (ΔrH) は常に負でなければならず、ギブスの自由エネルギー (ΔrG) は負になります。
ギブスの自由エネルギーの単位はキロジュールです。通常は kJ/mol で表されます。
反応の自発性
反応は良好で、自発的であることを意味します。ΔG の値は負です。
反応は好ましくありません。これは、非自発的であることを意味します。ΔG の値は正です。
ギブズ自由エネルギー (ΔrG) の値がゼロの場合、反応は平衡状態にあると言われます。
生化学反応における標準自由エネルギー変化
生化学反応では、標準的な自由エネルギー変化は通常 G で表されます。これは pH =7 の水溶液での反応の自由エネルギー変化であり、細胞内の条件にほぼ対応しています。生物学的反応 (高分子の合成など) のほとんどは、細胞条件下では熱力学的に不利です (G> 0)。このような反応が起こるためには、追加のエネルギー源が必要です。たとえば、反応を考えてみましょう:
A⇌B ∆G=-10kJ/mol
A から B への変換はエネルギー的に好ましくないため、反応は順方向ではなく逆方向に進行します。ただし、A から B への変換を
C ⇌ D , ΔG=+20kJ/mol
これら 2 つの反応を混合すると、共役反応は次のように記述できます。-
A+C ⇌ B+D , ΔG=-10kJ/mol
結合反応の G は、個々の成分の自由エネルギー変化の合計であるため、結合反応はエネルギー的に有利であり、説明したように進行します。したがって、A から B へのエネルギー的に好ましくない変換は、自由エネルギーの大幅な減少を伴う 2 番目の反応へのカップリング によって駆動されます。酵素は、このような共役反応の調整された実行に関与しています。
細胞はこの基本的なメカニズムを使用して、生物学的システムで起こらなければならない多くのエネルギー的に好ましくない反応を引き起こします。アデノシン-5-三リン酸 (ATP) は、細胞内の自由エネルギーの貯蔵庫としての役割を果たすことにより、このプロセスで中心的な役割を果たします。
結論
上記のセクションでは、反応は可能な限り広い意味で、ある形態から別の形態への物質の変化として解釈できます。これらの化学反応に加えて、反応は、氷 (反応物) が液体の水 (生成物) に変化する、星の内部で起こる核反応、または初期宇宙の素粒子反応と同じくらい単純な場合があります。プロセスが何であれ、自然変化の方向 (温度と圧力が一定の場合) は、常に自由エネルギーが減少する方向です。細胞が機能するためには、体内の多くの反応が自発的でなければなりません。私たちの体には非自発的な反応がいくつかありますが、それらを熱力学的に有利な (発エルゴン) 反応に結び付けて、細胞がさらに複雑な機能を実行できるようにします。
