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SeitentitelWinter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_07_NB2 - Biologie

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Lernziele im Zusammenhang mit Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_07

  • Entwickeln Sie eine „Energiegeschichte“ über eine biologische oder biochemische Reaktion unter Verwendung des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Beschreiben Sie Ereignisse in Bezug auf Energie, Bewusstsein für Energieerhaltung, Energieübertragung, Entropie und setzen Sie diese dann in Beziehung zu dem, was auf molekularer Ebene geschieht.
  • Erklären Sie den ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung).
  • Erklären Sie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (Entropie nimmt zu) und wie er mit biologischen Reaktionen zusammenhängt.
  • Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen freier Energie und chemischem Gleichgewicht mit der Gleichung ∆G° = -RTlnKeq, wobei explizit geeignete „Anfangs-“ und „End“-Zustände aufgerufen werden (wie getan in einem (n Energiegeschichte).
  • Interpretieren Sie Reaktionskoordinatendiagramme und verknüpfen Sie Änderungen der Gibbs-Enthalpie und Aktivierungsenergie mit relativen Reaktionsgeschwindigkeiten, Gleichgewichtsbedingungen und ob eine Reaktion endergonisch oder exergonisch ist.
  • Verstehen Sie, wie Sie die Gleichung ΔG = ΔH - TΔS verwenden und erklären Sie, was die einzelnen Terme bedeuten.
  • Interpretieren Sie eine biochemische Transformation und sagen Sie voraus ob die Reaktion ist spontan, wenn ein Reaktionskoordinatendiagramm der Gibbs-Enthalpie (Energie) verwendet wird.
  • Beschreiben Sie den Begriff des Gleichgewichts in der Kontext von Reaktionskoordinatendiagramme.

Thermodynamik

Thermodynamikist besorgtmit der Beschreibung der Änderungen in Systemen vor und nach einer Änderung. In fast allen praktischen Fällen erfordern diese Analysen, dass das System und seine Umgebungvollständig beschrieben werden. Wenn zum Beispiel das Erhitzen eines Wassertopfs auf dem Herd diskutiert wird, kann das System den Herd, den Topf und das Wasser umfassen, und die Umgebung oder Umgebung kann alles andere umfassen. Biologische Organismen sindWas sindals offene Systeme bezeichnet;Energie wird übertragenzwischen ihnen und ihrer Umgebung.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik befasst sich mit der Gesamtenergiemenge im Universum. Es besagt, dass diese Gesamtenergiemenge konstant ist.Mit anderen Worten, es gibtwar und wird immer genau die gleiche Energiemenge im Universum haben.

Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energieübertragen werdenvon Ort zu Ort, aber es kann nichterstellt werdenoder zerstört. Um uns herum finden ständig Energieübertragungen statt. Glühbirnen wandeln Energie von Kraftwerken in Wärme und Lichtphotonen um. Gasöfen wandeln die in den Bindungen chemischer Verbindungen gespeicherte Energie in Wärme und Licht um. (Hitze, übrigens,ist die Energiemenge, die aufgrund eines Temperaturunterschieds von einem System auf ein anderes übertragen wird.)

Pflanzen leisten einen der biologisch nützlichsten Energieübertragungen auf der Erde: Sie übertragen Energie in den Photonen des Sonnenlichts in die chemischen Bindungen organischer Moleküle. In jedem dieser Fälle wird weder Energie erzeugt noch vernichtet, und wir müssen versuchen, dies zu erklären alle die Energie, wenn wir einige dieser Reaktionen untersuchen.

Das Erste Gesetz und die Energiegeschichte

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist täuschend einfach. Die Schüler verstehen oft, dass Energie nichterstellt werdenoder zerstört. Wenn sie jedoch eine Energiegeschichte eines Prozesses beschreiben, machen sie oft den Fehler, Dinge wie "Energie" zu sagenist hergestelltvonder Transfer vonElektronen von Atom A zu Atom B." Während die meisten von uns verstehen, was der Schüler zu sagen versucht, werden die falschen Worte verwendet. Energiewird nicht gemachtoder produziert;es wird einfach übertragen. Um mit dem ersten Gesetz in Einklang zu sein, wenn Sie eine Energiegeschichte erzählen, stellen Sie sicher, dass Sie versuchen, alle Orte explizit zu verfolgen, an denen die gesamte Energie im System zu Beginn eines Prozesses bis zum Ende eines Prozesses fließt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Ein wichtiges Konzept in physikalischen Systemen ist Entropie. Entropie bezieht sich darauf, wie Energieverteilt werdenoder innerhalb der Partikel eines Systems dispergiert. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie in einem System immer zunimmt und seine Umgebung (d. h. alles innerhalb und außerhalb des Systems zusammen).

Diese Idee hilft, die Richtungsabhängigkeit von Naturphänomenen zu erklären. Die Idee ist, dass die Direktionalität von der Tendenz der Energie in einem System herrührt, sich in Richtung eines Zustands maximaler Dispersion zu bewegen. Der Zweite Hauptsatz impliziert daher, dass wir bei jeder Transformation irgendwo nach einer allgemeinen Zunahme der Entropie (oder der Energiedispersion) suchen sollten. Wenn die Energieverteilung in einem System oder seiner Umgebung zunimmt, kann die Energie

gerichtet sein

zur Arbeit nimmt ab.

Denken Sie daran: Sie werden viele Beispiele finden, in denen die Entropie eines Systems abnimmt örtlich. Allerdings kann nach dem zweiten Hauptsatz die Entropie des gesamten Universums noch nie verringern. Dies muss bedeuten, dass es an anderer Stelle in der Umgebung (höchstwahrscheinlich in einem eng verbundenen System) eine gleiche oder stärkere Zunahme der Entropie gibt, die die lokale Abnahme kompensiert.


Wir verbinden die vier folgenden Szenarien mitzunehmendEntropie des Systems. Überlegen Sie sich konkrete Beispiele für den Fall, dass:

A. das System gewinnt Energie;
B. es tritt eine Zustandsänderung von fest zu flüssig zu gas auf;
C. es kommt zu einer Vermischung von Stoffen;
D.dasDie Teilchenzahl nimmt während einer Reaktion zu.


Mögliche NB-Diskussion Punkt

Begründen oder widerlegen Sie die folgende Aussage: "Biologische Systeme sind eine Ausnahme vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, daZellen sind bekanntsich zu ordnensehrhoch organisierte Strukturen (denken Sie an: Gewebe, Organe usw.)eherals in einen ungeordneteren Zustand."Überprüfe unbedingtheraus, was deine Kollegen sagen--stimmen Sie ihrer Position und/oder ihrer Begründung zu oder nicht zu?


Abbildung 1. Eine Zunahme der Störung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Ein Beispiel dafür ist ein Eiswürfel, der auf einem heißen Bürgersteig schmilzt. Hier, Eiswird angezeigtals Schneeflocke, mit organisierten, strukturierten Wassermolekülen, die die Schneeflocke bilden. Mit der Zeit schmilzt die Schneeflocke zu einem Pool aus unorganisierten, sich frei bewegenden Wassermolekülen. Es ist üblich, Entropie als Maß für die Ordnung zu beschreibenals einen Wegum die konkretere Beschreibung zu vereinfachen, die die Entropie auf die Anzahl der Zustände bezieht, in denenEnergie kann verteilt werdenin einem System. Währenddie Idee vonDie Messreihenfolge zur Definition der Entropie hat einige Fehler, sie ist manchmal ein nützlicher, wenn auch unvollkommener Proxy. (Quelle)

Wenn wir das erste und das zweite Gesetz zusammen betrachten, kommen wir zu einem nützlichen Schluss. Immer wenn Energiewurde übermitteltoder innerhalb eines Systems umverteilt wird, muss die Entropie zunehmen.Dieser Anstieg der Entropie hängt zusammenwie "nützlich" die Energie isttunArbeit. Erinnern Sie sich noch einmal daran, dass diese Energie mit zunehmender Entropie immer weniger verfügbar wird.

Denken Sie daran: Sie werden viele Beispiele finden, in denen die Entropie eines Systems abnimmt örtlich. Dies muss bedeuten, dass es an anderer Stelle in der Umgebung (höchstwahrscheinlich in einem eng verbundenen System) eine gleiche oder stärkere Zunahme der Entropie gibt, die die lokale Abnahme kompensiert.

Wir schließen daraus, dass während alledasEnergie muss gespart werden, wenn die erforderliche Änderung die Entropie erhöht, bedeutet dies, dass ein Teil der Energie so verteilt wird, dass sie für die Arbeit weniger nützlich ist. In den meisten Fällen, insbesondere in der Biologie, kann ein gewisser Anstieg der Entropiegekreidet werdenbis hin zur Übertragung von Energie in Wärme in die Umgebung.

Die Energiegeschichte

Überblick über die Energiegeschichte

Ob wir es wissen, wir erzählen jeden Tag Geschichten, die Materie und Energie beinhalten. Wir verwenden nur selten Terminologie, die mit wissenschaftlichen Diskussionen über Materie und Energie verbunden ist.

Beispiel1

Das Setup: eine einfache Aussage mit impliziten Details
Du erzählst deinem Mitbewohner eine Geschichte darüber, wie du zum Campus gekommen bist, indem du sagst: "Ich bin heute mit dem Fahrrad zum Campus gefahren." In dieser einfachen Aussage sind mehrere Annahmendas sindlehrreich auszupacken, auch wenn es nicht sehr wichtig erscheint, sie explizit in ein lockeres Gespräch zwischen Freunden über die Transportmöglichkeiten aufzunehmen.

Die Neuinterpretation des Prozesses durch einen Außenstehenden
Um dies zu veranschaulichen, stellen Sie sich einen externen Beobachter vor, beispielsweise ein außerirdisches Wesen, das das Kommen und Gehen der Menschen auf der Erde beobachtet. Ohne den Vorteil, viele der implizierten Bedeutungen und vernünftigen Annahmen zu kennen, diesind begrabenin unserer Sprache würde die Beschreibung der morgendlichen Radtour durch den Außerirdischen von Ihrer eigenen abweichen. Was Sie effizient als "mit dem Fahrrad zum Campus" beschrieben haben, könntegenauer beschrieben werdendurch den Fremden als Ortswechsel eines menschlichen Körpers und seines Fahrrades von einem Ort (der Wohnung, als Position A bezeichnet) zu einem anderen Ort (der Universität, als Position B bezeichnet). Das Außerirdische könnte noch abstrakter sein und die Radtour als die Bewegung der Materie (des menschlichen Körpers und seines Fahrrads) zwischen einem Anfangszustand (an Ort A) zu einem Endzustand (an Ort B) beschreiben. Aus der Sicht des Außerirdischen könnte das, was man "Radfahren" nennen würde,genauer beschrieben werdenals die Verwendung eines zweirädrigen Werkzeugs, das die Übertragung von Energie aus den elektrischen Feldern in chemischen Verbindungen mit der Beschleunigung der zweirädrigen Werkzeug-Personen-Kombination koppelt, die seine Umgebung erwärmt. Schließlich verbirgt sich in der einfachen Aussage, die beschreibt, wie wir zur Arbeit kamen, auch das stillschweigende Verständnis, dass die Masse des Körpers und des Fahrradswurden konserviertdabei (mit einigen wichtigen Vorbehalten, die wir in zukünftigen Vorlesungen betrachten werden) und dass etwas Energiewarübertragenum das System und die Umgebung herum, um die Bewegung des Körpers von Position A in Position B zu ermöglichen.

Details sind wichtig. Was wäre, wenn Sie ein vollelektrisches Fahrrad besitzen und Ihr Gesprächspartner das nicht wüsste? Welche wichtigen Details könnten sich dadurch an der von Ihnen erzählten „Alltagsgeschichte“ ändern, die durch die ausführlichere Beschreibung aufgeklärt worden wäre? Wie hätte sich die Geschichte des Außerirdischen verändert? In welchen Szenarien könnten diese Änderungen relevant sein?

Wie diese einfache Geschichte zeigt, beinhaltet die Erstellung einer vollständigen Beschreibung eines Prozesses unabhängig von vielen Faktoren eine Beschreibung dessen, was mit der Materie passiert ist, was mit der Energie passiert ist, und fast immer eine Beschreibung eines Mechanismus, der beschreibt, wie sich Veränderungen in Materie und Energie eines Systemswurden gebrachtÜber.

Um diese Fähigkeit zu üben inBIS2A, werden wir etwas verwenden, das wir gerne "Energy Story" nennen. Möglicherweise werden Sie gebeten, im Unterricht eine "Energiegeschichte" zu erzählen, das Erzählen von Energiegeschichten in Ihren Studienführern zu üben und das Konzept in Ihren Prüfungen anzuwenden. In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns hauptsächlich darauf, das Konzept einer Energiegeschichte vorzustellen und zu erklären, wie man sie erzählt.Es ist erwähnenswert, dass dieBegriff "Energiegeschichte"wird genutztschon fastausschließlichin(und hat in dieser Klasse eine besondere Bedeutung). Dieser genaue Begriff wird in anderen Kursen an der UC Davis (zumindest kurzfristig) nicht oder, wenn er erscheint, wahrscheinlich nicht vorkommenverwendet werdenauf die gleiche Weise. IhreInstruktoren haben diesem Ansatz einen kurzen Namen gegeben (Energy Story), alsodaswir können es alle mit der gemeinsamen Übung in Verbindung bringen. Auf diese Weise weiß jeder Bescheid, wenn der Lehrer die Klasse auffordert, eine Energiegeschichte zu erzählen oder zu konstruierenwas ist gemeint.

Definition 1: Energiegeschichte

Eine Energiegeschichte ist eine Erzählung, die einen Prozess oder ein Ereignis beschreibt. Die kritischen Elemente dieser Erzählung sindwie folgt:

  1. Identifizieren Sie mindestens zwei Zustände (z. B. Start und Ende) im Prozess.
  2. Identifizieren und listen Sie die Angelegenheit im System und ihren Status zu Beginn und am Ende des Prozesses auf.
  3. Beschreiben Sie die Transformation der Materie, die während des Prozesses auftritt.
  4. Berücksichtigen Sie den „Ort“ der Energie im System zu Beginn und am Ende des Prozesses.
  5. Beschreiben Sie die Energieübertragung, die während des Prozesses stattfindet.
  6. Identifizieren und beschreiben Sie Mechanismen, die für die Vermittlung der Umwandlung von Materie und der Übertragung von Energie verantwortlich sind.

Eine vollständige Energiegeschichte enthält eine Beschreibung der anfänglichen Reaktanten und ihrer energetischen Zustände sowie eine Beschreibung der Endprodukte und ihrer energetischen Zustände nach Abschluss des Prozesses oder der Reaktion.


Mögliche NB-Diskussion Punkt

Wir argumentieren, dass die Energiegeschichtegewöhnt sein ankommunizieren alle nützlichen Details, diesind erforderlichum fast jeden Vorgang zu beschreiben. Können Sie sich einen Prozess vorstellen?die mit einer Energiegeschichte nicht adäquat beschrieben werden kann? Wenn ja, beschreiben Sie einen solchen Vorgang.


Beispiel 2: Beispiel für eine Energiegeschichte

Nehmen wir an, wir sprechen über den Prozess des Fahrens eines Autos von "Punkt A" zu "Punkt B" (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Dies ist eine schematische Darstellung eines Autos, das sich von einer Startposition "Punkt A" zu einem Endpunkt "Punkt B" bewegt. Das blaue Rechteck auf der Rückseite des Autos stellt den Benzinstand dar; die violette, verschnörkelte Linie in der Nähe des Auspuffrohrs stellt den Auspuff dar; verschnörkelte blaue Linien auf der Oberseite des Autos repräsentieren Schallschwingungen; und die rote Schattierung stellt Bereiche dar, die heißer sind als zu Beginn. Quelle: erstellt von Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Lassen Sie uns die Rubrik „Energiegeschichte“ durchgehen:

1. Identifizieren Sie mindestens zwei Zustände (z. B. Start und Ende) im Prozess.

In diesem Beispiel können wir leicht zwei Zustände identifizieren. Der erste Zustand ist das stehende Auto am "Punkt A", dem Beginn der Fahrt. Der zweite Zustand, nachdem der Vorgang abgeschlossen ist, ist das sich nicht bewegende Auto am "Punkt B".

2. Identifizieren und listen Sie die Angelegenheit im System und ihren Status zu Beginn und am Ende des Prozesses auf.

In diesem Fall stellen wir zunächst fest, dass das "System" alles in der Abbildung umfasst - das Auto, die Straße, die Luft um das Auto herum usw.

Es ist wichtig zu verstehen, dass wir das physikalische Gesetz der Erhaltung der Materie anwenden werden. Das heißt, in keinem der Prozesse, die wir besprechen, wird Materie weder erschaffen noch zerstört. Es mag seine Form ändern, aber man sollte am Ende eines Prozesses alles nachvollziehen können, was am Anfang da war.

Zu Beginn des Prozesses besteht die Materie im System aus Folgendem:
1. Das Auto und all das Zeug darin
2. Der Kraftstoff im Auto (eine Besonderheit im Auto)
3. Die Luft (einschließlich Sauerstoff) um das Auto herum.
4. Die Straße
5. Der Fahrer

Am Ende des Prozesses wird die Angelegenheit im System wie folgt verteilt:
1. Das Auto und all das Zeug darin ist an einem neuen Ort (nehmen wir an, dass sich außer dem Kraftstoff und der Position nichts geändert hat).
2. Es ist weniger Kraftstoff im Auto, und auch es befindet sich an einem neuen Ort.
3. Die Luft hat sich verändert; es hat jetzt weniger molekularen Sauerstoff, mehr Kohlendioxid und mehr Wasserdampf.
4. Die Straße hat sich nicht geändert (angenommen, sie hat sich nicht geändert – außer ein paar Kieselsteinen, die sich bewegten).
5. Die Fahrerin hat sich nicht geändert (angenommen, sie hat sich nicht geändert – obwohl wir am Ende des Semesters sehen werden, dass sie es zumindest ein wenig getan hat). Der Fahrer befindet sich jedoch jetzt an einem anderen Ort.

3. Beschreiben Sie die Transformation der Materie, die während des Prozesses auftritt.

Was ist in diesem Prozess mit der Sache passiert? Dank vieler vereinfachender Annahmen sehen wir, dass zwei große Dinge passiert sind. Zuerst wechselten das Auto und sein Fahrer die Position – sie fuhren von "Punkt A" zu "Punkt B". Zweitens stellen wir fest, dass einige der Moleküle im Kraftstoff, die sich früher als Flüssigkeit im Auto befanden, ihre Form geändert haben und jetzt hauptsächlich in Form von Kohlendioxid und Wasserdampf vorliegen (violetter Klecks kommt aus dem Auspuffrohr). Einige der Sauerstoffmoleküle, die früher in der Luft waren, befinden sich nun auch an einer neuen Stelle als Teil des Kohlendioxids und des Wassers, das das Auto verlassen hat.

4. Berücksichtigen Sie den „Ort“ der Energie im System zu Beginn und am Ende des Prozesses.

Es ist wieder wichtig zu verstehen, dass wir uns auf das physikalische Gesetz der Energieerhaltung berufen werden. Das heißt, wir legen fest, dass die Energie im System nicht erzeugt oder vernichtet werden kann und daher die Energie, die zu Beginn des Prozesses im System ist, am Ende des Prozesses noch vorhanden sein muss. Es mag neu verteilt worden sein, aber Sie sollten in der Lage sein, die ganze Energie zu berücksichtigen.

Zu Beginn des Prozesses verteilt sich die Energie im System wie folgt:
1. Die Energie ist in den Assoziationen zwischen den Atomen gebunden, aus denen das Auto besteht.
2. Die Energie ist in den Assoziationen zwischen den Atomen gebunden, aus denen der Brennstoff besteht.
3. Die Energie ist in den Verbindungen zwischen den Atomen gebunden, aus denen die Luft besteht.
4. Die Energie ist in den Verbindungen zwischen den Atomen gebunden, aus denen die Straße besteht.
5. Die Energie ist in den Assoziationen zwischen den Atomen gebunden, die den Treiber bilden.
6. Für alle oben genannten Dinge können wir auch sagen, dass in den molekularen Bewegungen der Atome, aus denen das Material besteht, Energie steckt.

Am Ende des Prozesses verteilt sich die Energie im System wie folgt:
1. Für alle oben genannten Dinge können wir auch sagen, dass in den molekularen Bewegungen der Atome, aus denen das Material besteht, Energie steckt.

Das ist in gewisser Weise interessant, denn die Listen sind ungefähr gleich. Wir wissen, dass die im Auto gespeicherte Energiemenge abgenommen hat, weil weniger Kraftstoff vorhanden ist. Es muss etwas passiert sein.

5. Beschreiben Sie die Energieübertragung, die während des Prozesses stattfindet.

In diesem speziellen Beispiel ist die Energieübertragung zwischen den Komponenten des Systems am interessantesten. Wie bereits erwähnt, ist am Ende der Fahrt weniger Energie im Benzintank des Autos gespeichert, da jetzt weniger Kraftstoff vorhanden ist. Wir wissen auch intuitiv (aus realer Erfahrung), dass die Übertragung von Energie vom Kraftstoff auf etwas anderes maßgeblich dazu beigetragen hat, das Auto von "Punkt A" zu "Punkt B" zu bewegen. Wo ist diese Energie geblieben? Denken Sie daran, es ist nicht einfach verschwunden. Es muss an eine andere Stelle im System verschoben worden sein.

Nun, wir wissen, dass sich nach dem Prozess mehr Kohlendioxid und Wasserdampf im System befinden. In den Assoziationen zwischen diesen Atomen (Atomen, die früher im Brennstoff und in der Luft waren) steckt Energie. Ein Teil der Energie, die im Kraftstoff enthalten war, befindet sich jetzt im Auspuff.Lassen Sie uns auch noch einmal aus der Praxis schöpfen und sagen, dass wir wissen, dass Teile unseres Autos am Ende der Fahrt heiß geworden sind (z. B. Motor, Getriebe, Räder/Reifen, Auspuff usw.). Im Moment verwenden wir nur unsere Intuition und sagen, dass wir verstehen, dass das Heißmachen von etwas Energie mit einer Übertragung von Energie verbunden ist. Wir können also vernünftigerweise postulieren, dass ein Teil der Energie im Kraftstoff (direkt oder indirekt) in die Erwärmung des Autos, von Teilen der Straße und des Auspuffs – und damit der Umgebung des Autos – geflossen ist. Es wurde auch eine Menge Energie aufgewendet, um das Auto von Null auf die Geschwindigkeit zu beschleunigen, mit der es fuhr, aber der größte Teil dieser Energie wurde schließlich zu Wärme, als das Auto zum Stehen kam.

Dies ist eine etwas handgewellte Erklärung, und wir werden lernen, wie man im Laufe des Quartals einen besseren Job macht. Der Hauptpunkt ist, dass wir in der Lage sein sollten, die gesamte Energie des Systems zu Beginn des Prozesses (an allen Orten, an denen sie gefunden wird) und am Ende des Prozesses (an allen Orten, an denen sie gefunden wird) hinzuzufügen, und diese beiden Werte sollten gleich sein.

6. Identifizieren und beschreiben Sie Mechanismen, die für die Vermittlung der Umwandlung von Materie und der Übertragung von Energie verantwortlich sind.

Schließlich ist es nützlich zu versuchen zu verstehen, wie diese Umwandlungen von Materie und Energieübertragungen erleichtert worden sein könnten. Der Kürze halber könnten wir nur sagen, dass es ein kompliziertes mechanisches Gerät (den Motor) gab, das die Umwandlung von Materie und die Übertragung von Energie über das System erleichterte und dies an die Positionsänderung des Autos koppelte. Jemand, der sich für Motoren interessiert, würde natürlich eine genauere Erklärung geben.

In diesem Beispiel haben wir eine Reihe vereinfachender Annahmen getroffen, um den Prozess hervorzuheben und uns auf die Umwandlung des Kraftstoffs zu konzentrieren. Aber das ist in Ordnung. Je mehr Sie über die Prozesse verstehen, desto feinere Details können Sie hinzufügen. Beachten Sie, dass Sie die Rubrik "Energiegeschichte" verwenden können, um Ihr Verständnis (oder die Suche nach Lücken in Ihrem Verständnis) von fast jedem Prozess (vor allem in der Biologie) zu beschreiben. In BIS2A verwenden wir die Energy Story, um so unterschiedliche Prozesse wie biochemische Reaktionen, DNA-Replikation, die Funktion molekularer Motoren usw. zu verstehen.

Wichtig:

Erstens: Wir werden während des gesamten Kurses an vielen Beispielen der Energiegeschichte arbeiten – glauben Sie nicht, dass Sie dieses Thema heute beherrschen müssen.

Zweitens: Es ist zwar verlockend zu glauben, dass all dies überflüssig oder für Ihr Biologiestudium in BIS2A nicht von Bedeutung ist, aber lassen Sie dies daran erinnern, dass Ihre Dozenten (diejenigen, die die Zwischen- und Abschlussprüfungen des Kurses erstellen) es als Kernmaterial betrachten. Wir werden dieses Thema im Laufe des Kurses oft wiederholen, aber Sie müssen sich jetzt mit einigen der grundlegenden Konzepte vertraut machen.

Dies ist ein wichtiges Material und eine wichtige Fähigkeit, die es zu entwickeln gilt – zögern Sie nicht, es zu studieren, denn es "sieht" für Sie heute nicht wie "Biologie" aus. Das akademische Semester bewegt sich SEHR schnell, und es wird schwierig, später nachzuholen, wenn Sie nicht jetzt darüber nachdenken.

Energie

Energie ist ein zentraler Begriff in allen Wissenschaften. Energie ist eine Eigenschaft eines Systems. Obwohl sie weder erzeugt noch zerstört werden kann, ist das Verständnis der Energieübertragung um physikalische Systeme eine Schlüsselkomponente, um zu verstehen, wie und warum sich die Dinge ändern. In den folgenden Abschnitten werden wir einige grundlegende Konzepte untersuchen, die mit gängigen Transformationen in Biologie und Chemie verbunden sind: die Löslichkeit verschiedener Biomoleküle, das Knüpfen und Aufbrechen chemischer Bindungen, die Übertragung von Elektronen, die Übertragung von Energie zu und von Licht und die Übertragung von Energie in Form von Wärme. Im Unterricht finden viele der Diskussionen im Kontext der Energiegeschichte Wenn wir also eine Transformationsreaktion betrachten, werden wir daran interessiert sein, das fragliche System genau zu definieren und zu versuchen, alle verschiedenen Energieübertragungen zu berücksichtigen, die innerhalb des Systems auftreten, um sicherzustellen, dass wir uns an die Gesetz der Energieerhaltung.

Es gibt viele Beispiele, in denen wir den Begriff Energie in unserem Alltag verwenden, um Prozesse zu beschreiben. Ein Radfahrer kann mit dem Fahrrad zum Campus für den Unterricht fahren. Der Akt, sich und ihr Fahrrad von Punkt A nach Punkt B zu bewegen, kannErklärt seinZu einem gewissen Graddurch Untersuchung der stattfindenden Energieübertragungen. Wir können dieses Beispiel durch eine Vielzahl von Linsen betrachten, aber als Biologen möchten wir höchstwahrscheinlich die Reihe von Ereignissen verstehen, die erklären, wie Energiewurde übermitteltvon Nahrungsmolekülen bis hin zur koordinierten Aktivität von Biomolekülen beim Biegen eines RadfahrersMuskel, und schließlich zur Bewegung des Fahrrads von Punkt A nach Punkt B. Dazu müssen wirin der Lage seinüber verschiedene Möglichkeiten sprechen, wie Energieübertragen werdenzwischen Teilen eines Systems und wo eswird gelagertoder aus dem System übertragen. Im nächsten Abschnitt werden wir auch die Notwendigkeit sehen, zu berücksichtigen, wie diese Energiewird ausgeliefertunter den vielen Mikrozuständen (molekularen Zuständen) des Systems und seiner Umgebung.

Wie wir an die Konzeptualisierung von Energie herangehen

In BIS2A werden wir über Energie mit einem "Zeug" nachdenken Metapher. Beachten Sie jedoch, dass Energie NICHT eine Substanz, es ist eher ein Eigentum eines Systems. Aber wir werden es in gewissem Sinne als Eigenschaft betrachten, die es kanngespeichert werdenin einem Teil eines physischen Systems und von einem Lagerort zu einem anderen transferiert oder "bewegt" werden. Die Idee ist, das Konzept zu verstärken, dass Energie ihre Identität behält, wenn sie übertragen wird – sie ändert nicht per se ihre Form. Diesim Gegenzugermutigt uns auch, dafür zu sorgen, dass Energie immer ein Zuhause hat und wir Rechenschaft ablegenalle derEnergie in einem System vor und nach einer Transformation; es wird nicht nur "gemacht" oder "verloren" (beidesvon diesenIdeen widersprechen dem Energieerhaltungssatz). Wenn Energie übertragen wird, müssen wir daher erkennen, woher sie kommt und wohin sie geht – alles! Auch hier können wir nicht einfach etwas verloren haben. Wenn Energiewurde übermittelt, dort mussmit einem Mechanismus verbunden seinmit dieser Überweisung. Lass uns darüber nachdenken, um uns zu helfen, es zu erkläreneinige derPhänomene, an denen wir interessiert sind. Dieser Mechanismus ist Teil des "Wie", das wir oft verstehen wollen. Schließlich, wenn wir über Transfer sprechen, wirmusserkennen, dass beide Komponenten,der Teil des physischen Systems, der Energie abgegeben hat, und der Teil des Systems, der diese Energie erhalten hat, werden verändertaus ihren Ausgangszuständen. Wir sollten sicherstellendaswir schauenalle derKomponenten eines Systems für Energieänderungen bei der Untersuchung einer Transformation.

Energiequellen

Letztendlich stammt die Energiequelle für viele Prozesse auf der Erdoberfläche aus der Sonnenstrahlung. Aber wie wir sehen werden, war die Biologie sehr geschickt darin, eine Vielzahl von Energieformen anzuzapfen, um Lebewesen zu bauen und zu erhalten. Im Verlauf dieses Kurses werden wir eine Vielzahl von Energiequellen und die Wege erkunden, die die Biologie entwickelt hat, um Energie aus diesen Brennstoffen zu übertragen.

Energie in chemischen Reaktionen

Chemische Reaktionen beinhalten eine Umverteilung von Energie innerhalb der reagierenden Chemikalien und mit ihrer Umgebung. Also, ob es uns gefällt oder nicht, wir müssen einige Modelle entwickeln, die uns helfen können zu beschreiben, wo sich Energie in einem System befindet (vielleicht wie sie "gespeichert"/verteilt wird) und wie sie das kannbewegt seinin einer Reaktion herum. Die von uns entwickelten Modelle werden nichtsei zu detailliertin dem Sinne, dass sie einen eingefleischten Chemiker oder Physiker mit ihrem technischen Detailgrad zufriedenstellen würden, aber wir erwarten, dass sie immer noch technisch korrekt sind und keine falschen mentalen Modelle bilden, die es später schwer machen, die "Verfeinerungen" zu verstehen.

In dieser Hinsicht ist eines der wichtigsten Konzepte, die es zu verstehen gilt, dass wir darüber nachdenken, dass Energie zwischen Teilen eines Systems übertragen wird, anstatt zu viel darüber nachzudenken, dass sie umgewandelt wird. Die Unterscheidung zwischen "Transfer" und "Transform" ist wichtig, weil letzteres den Eindruck erweckt, dass Energie eine Eigenschaft ist, die in verschiedenen Formen existiert, dass sie irgendwie umgeformt wird. Die gebräuchliche Verwendung des Begriffs „Transformieren“ in Bezug auf Energie ist verständlich, da verschiedene Phänomene, die mit dem Konzept der Energie verbunden sind, für uns physikalisch „anders aussehen“. Ein potenzielles Problem bei der Verwendung der "Transform"-Sprache besteht jedoch darin, dass es manchmal schwierig ist, sich mit der Idee zu vereinbaren, dass Energie (gemäß dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik) erhalten bleibt, wenn sie sich ständig ändert. Wie kann das Wesen der Energiekonserviert werdenwenn es nach einer Transformation nicht mehr dasselbe ist (z.B. transformiert)? Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt uns, dass keine Transformation die gesamte Energie in einem System erhält. Wenn Energie „transformiert“ wird, wie kann sie dann?konserviert werdenund trotzdem mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vereinbar sein?

Stattdessen werden wir uns diesem Thema nähern, indem wir Energie zwischen verschiedenen Teilen eines Systems übertragen und speichern und dabei Energie als eine Eigenschaft betrachten, die umverteilt werden kann. Das erleichtert hoffentlich die Abrechnung von Energie. Nicht, dass die Idee des Energietransfers konsistent und kompatibel mit Begriffen wie "potentielle Energie" und "kinetische Energie" wäre, da diese nützlich sind, um zu beschreiben, wie die Energie zwischen der Bewegung der Materie und den verschiedenen Feldern (z , usw.) in einem System.

VORSICHT

Wenn wir darüber nachdenken, Energie von einem Teil eines Systems auf einen anderen zu übertragen, müssen wir auch vorsichtig sein NICHT Energie wie eine Substanz behandeln, die sich wie eine Flüssigkeit oder ein „Ding“ bewegt. Vielmehr müssen wir Energie einfach als Eigenschaft eines Systems verstehen, das gemessen und reorganisiert werden kann, aber weder ein "Ding" noch etwas ist, das einmal in einer Form und später in einer anderen vorliegt.

Da wir es oft mit Umwandlungen von Biomolekülen zu tun haben, können wir zunächst darüber nachdenken, wo in diesen Systemen Energie gefunden/gespeichert werden kann. Wir beginnen mit ein paar Ideen und fügen später weitere hinzu.

Lassen Sie uns vorschlagen, dass ein Ort, an dem Energie gespeichert werden kann, die Bewegung der Materie ist. Der Kürze halber geben wir der in Bewegung gespeicherten Energie einen Namen: kinetische Energie. Moleküle in der Biologie sind in ständiger Bewegung und haben daher eine gewisse kinetische Energie (in Bewegung gespeicherte Energie) mit sich.

Nehmen wir auch an, dass in den Biomolekülen selbst eine bestimmte Energiemenge gespeichert ist und dass die in diesen Molekülen gespeicherte Energiemenge mit der Art und Anzahl der Atome in den Molekülen und ihrer Organisation (der Anzahl und Art der Bindungen zwischen Sie). Die Diskussion darüber, wo genau die Energie in den Molekülen gespeichert ist, würde den Rahmen dieser Klasse sprengen, aber wir können uns nähern, indem wir darauf hindeuten, dass die Bindungen ein guter Proxy sind. Verschiedene Arten von Bindungen können mit der Speicherung unterschiedlicher Energiemengen verbunden sein. In manchen Zusammenhängen könnte diese Art der Energiespeicherung mit der Bezeichnung potenzielle Energie oder chemische Energie. Aus dieser Sicht geschieht unter anderem beim Knüpfen und Aufbrechen von Bindungen in einer chemischen Reaktion, dass die Energie im System in verschiedene Bindungstypen übertragen wird. Im Rahmen einer Energy Story könnte man theoretisch die in den Bindungen und die Bewegung der Reaktanten gespeicherte Energie und die in den Bindungen gespeicherte Energie und die Energie der Produkte zählen.

In einigen Fällen können Sie feststellen, dass diese Summen nicht gleich sind, wenn Sie die in den Produkten gespeicherte Energie und die in den Reaktanten gespeicherte Energie addieren. Wenn die Energie in den Reaktanten größer ist als die in den Produkten, wohin ging diese Energie? Es musste auf etwas anderes übertragen werden. Einige werden sich sicherlich in andere Teile des Systems bewegt haben, gespeichert in der Bewegung anderer Moleküle (Erwärmen der Umgebung) oder vielleicht in der Energie, die mit Lichtphotonen verbunden ist. Ein gutes Beispiel aus der Praxis ist die chemische Reaktion zwischen Holz und Sauerstoff (Reaktanten) und deren Umwandlung in Kohlendioxid und Wasser (Produkte). Am Anfang steckt die Energie im System größtenteils in den molekularen Bindungen von Sauerstoff und Holz (Reaktanten). In Kohlendioxid und Wasser (Produkten) ist noch Energie übrig, aber weniger als am Anfang. Wir alle wissen, dass ein Teil dieser Energie in Licht und Wärme umgewandelt wurde. Diese Reaktion, bei der Energie an die Umgebung abgegeben wird, wird als bezeichnet exotherm. Im Gegensatz dazu wird bei einigen Reaktionen Energie aus der Umgebung übertragen. Diese Reaktionen sind endothermisch.

Die Übertragung von Energie in die oder aus der Reaktion aus der Umgebung ist NICHT das einzige, was bestimmt, ob eine Reaktion spontan abläuft oder nicht. Wir werden das bald besprechen. Im Moment ist es wichtig, sich mit der Vorstellung vertraut zu machen, dass während einer Reaktion Energie zwischen verschiedenen Komponenten eines Systems übertragen werden kann und dass Sie sich vorstellen können, diese zu verfolgen.

Freie Energie

Wenn wir Transformationen beschreiben wollen, ist es nützlich, ein Maß dafür zu haben, (a) wie viel Energie in einem System ist, (b) die Verteilung dieser Energie innerhalb des Systems und (c) wie sich diese Faktoren zwischen Anfang und Ende verändern eines Prozesses. Das Konzept von freie Energie, oft als Gibbs-Energie oder Gibbs-Enthalpie (abgekürzt mit dem Buchstaben G) bezeichnet, tut in gewisser Weise genau das. Wir können die Gibbs-Energie auf verschiedene Weise definieren, aber eine nützliche im Zusammenhang mit der Biologie ist die Enthalpie (innere Energie) eines Systems minus der Entropie des Systems, skaliert durch die Temperatur. Der Unterschied in der freien Energie, wenn ein Prozess stattfindet, wird oft als Änderung (Δ) der Enthalpie (innere Energie) bezeichnet mit H, minus der temperaturskalierten Änderung (Δ) der Entropie, bezeichnet mit S, angegeben. Siehe die Gleichung unten.

ΔG=ΔH−TΔS

Wir interpretieren die Gibbs-Energie oft als die Menge an Energie, die verfügbar ist, um nützliche Arbeit zu verrichten. Mit ein wenig Handbewegung können wir diese Aussage interpretieren, indem wir die im Abschnitt über Entropie vorgestellte Idee aufrufen, die besagt, dass die Dispersion von Energie (vom zweiten Hauptsatz gefordert) in Verbindung mit einer positiven Entropieänderung irgendwie Energie erzeugt, diewurde übermitteltweniger nützlich zu arbeiten. Man kann sagen, dass es dies teilweise im T∆S-Term der Gleichung widerspiegelt.

Um eine Grundlage für faire Vergleiche von Änderungen der Gibbs-Energie zwischen verschiedenen biologischen Transformationen oder Reaktionen zu schaffen,die freie Energieänderung einer Reaktion wird gemessenunter einer Reihe von üblichen experimentellen Standardbedingungen.Die resultierende Standardänderung der freien Energie einer chemischen Reaktion wird ausgedrücktals Energiemenge proMaulwurfdes Reaktionsprodukts (entweder in Kilojoule oder Kilokalorien, kJ/moloder kcal/mol; 1 kJ = 0,239 kcal), wenn unter Standard-pH-, Temperatur- und Druckbedingungen gemessen. Standard-pH-, Temperatur- und Druckbedingungensind in der Regel standardisiertbei pH 7,0, 25 Grad Celsius und 100 Kilopascal (1GeldautomatDruck) bzw. Es ist wichtig zu beachten, dass sich die Zellbedingungen von diesen Standardbedingungen unterscheiden und somit das tatsächliche ∆G innerhalb einer Zelle erheblich von den unter Standardbedingungen berechneten abweichen wird.

Chemisches Gleichgewicht – Teil 2: Gibbs-Energie

In einem vorherigen Abschnitt haben wir mit der Beschreibung des chemischen Gleichgewichts in begonnender context vonVorwärts- und Rückwärtskurse. Wir haben drei Kernideen vorgestellt:

  1. Im Gleichgewicht ändern sich die Konzentrationen von Reaktanten und Produkten in einer reversiblen Reaktion nicht rechtzeitig.
  2. Eine reversible Reaktion im Gleichgewicht ist nicht statisch – Reaktanten und Produkte werden weiterhinineinander umwandelnim Gleichgewicht, aber die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion sind gleich.
  3. Wirwollten NICHTfallen in die übliche Studentenfalle, anzunehmen, dass das chemische Gleichgewicht bedeutet, dass die Konzentrationen von Reaktanten und Produkten im Gleichgewicht gleich sind.

Hier erweitern wir unsere Diskussion und stellen das Konzept des Gleichgewichts in den Kontext der Gibbs-Energie und verstärken auch die Übung der Energiegeschichte, die "Vorher/Start"- und "Nachher/Ende"-Zustände einer Reaktion zu berücksichtigen (einschließlich des inhärenten Zeitablaufs). .

Abbildung 1. Reaktionskoordinatendiagramm für eine generische exergonische reversible Reaktion. Gleichungen für Gibbs-Energie und Gleichgewichtskonstante: R = 8.314 J mol-1 K-1 oder 0,008314 kJ mol-1 K-1; T ist die Temperatur in Kelvin. Namensnennung: Marc T. Facciotti (Originalwerk)

Die obige Abbildung zeigt eine häufig zitierte Beziehung zwischen ∆G° und Keq:

[ ∆G^o = -RTln K_{eq}.]

Hier bezeichnet G° die Gibbs-Energie unter Standardbedingungen (z. B. 1 Atmosphäre Druck, 298 K). Diese Gleichung beschreibt die Änderung der Gibbs-Energie für Reaktanten, die sich in einer Reaktion im Gleichgewicht in Produkte umwandeln. Der Wert von ∆G° kann daher als intrinsisch für die Reaktanten und Produkte selbst angesehen werden. ∆G° ist wie eine potentielle Energiedifferenz zwischen Reaktanten und Produkten. Ausgehend von diesem Konzept kann man auch eine Reaktion betrachten, bei der der "Ausgangszustand" irgendwo aus dem Gleichgewicht geraten ist. In diesem Fall kann ein zusätzliches „Potential“ mit dem Ausgangszustand außerhalb des Gleichgewichts verbunden sein. Diese „hinzugefügte“ Komponente trägt zum ∆G einer Reaktion bei und kann wie folgt effektiv zum Ausdruck für die Gibbs-Energie hinzugefügt werden:

[∆G = ∆G° + RTln Q, ]

wobei (Q) Reaktionsquotient genannt wird. Aus Sicht der Allgemeinen Biologie verwenden wir eine einfache (etwas unvollständige, aber funktionale) Definition für

[Q = dfrac{[Produkte]_{st}}{[Reaktanten]_{st}} ]

bei einem definierten Nichtgleichgewichtszustand, st. Man kann diese Idee erweitern und die Gibbs-Energiedifferenz zwischen zwei Nichtgleichgewichtszuständen berechnen, sofern sie richtig definiert sind, und somit Gibbs-Energieänderungen zwischen speziell definierten Nichtgleichgewichtszuständen berechnen. Dieser letzte Punkt ist häufig bei Reaktionen in biologischen Systemen relevant, da diese Reaktionen oft in mehrstufigen Reaktionswegen vorkommen, die einzelne Reaktionen effektiv in einem Zustand außerhalb des Gleichgewichts halten.

Dies führt uns zu einem Punkt der Verwirrung für einige. In vielen Biologiebüchern beinhaltet die Diskussion des Gleichgewichts nicht nur die Diskussion der Hin- und Rückreaktionsgeschwindigkeiten, sondern auch die Aussage, dass ∆G = 0 im Gleichgewicht ist. Dies kann verwirrend sein, da genau diese Diskussionen oft auf Diskussionen von Nicht-Null-G°-Werten im Kontext des Gleichgewichts folgen (∆G° = –RTlnKeq). Es ist darauf hinzuweisen, dass sich ∆G° auf das Gibbs-Energiepotential bezieht, das allein der chemischen Umwandlung zwischen Reaktanten und Produkten innewohnt. Dies unterscheidet sich von der Betrachtung des Reaktionsfortschritts aus einem Zustand außerhalb des Gleichgewichts, der beschrieben wird durch

[∆G = ∆G^o + RT ln Q.]

Dieser Ausdruck kann wie folgt erweitert werden:

[∆G = -RTln K_{eq} + RTln Q]

um die Nuance klarer zu fokussieren. Beachten Sie in diesem Fall, dass sich die Reaktion ∆G bei Annäherung von Q an Keq an Null annähert und schließlich Null erreicht, wenn Q = Keq. Dies bedeutet, dass die Gibbs-Energie der Reaktion (∆G) im Gleichgewicht Null erreicht, nicht dass die Potentialdifferenz zwischen Substraten und Produkten (∆G°) Null wird.