Inligting

BladsytitelWinter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_07_NB2 - Biologie

BladsytitelWinter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_07_NB2 - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Leerdoelwitte geassosieer met Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_07

  • Ontwikkel 'n "energieverhaal" oor 'n biologiese of biochemiese reaksie deur die eerste en tweede wette van termodinamika te gebruik. Beskryf gebeure in terme van energie, bewustheid van energiebesparing, energie-oordrag, entropie, en bring dit dan in verband met wat op molekulêre vlak gebeur.
  • Verduidelik die eerste wet van termodinamika (behoud van energie).
  • Verduidelik die tweede wet van termodinamika (entropie neem toe) en hoe dit met biologiese reaksies verband hou.
  • Beskryf die verband tussen vrye energie en chemiese ewewig deur die vergelyking ∆G° = -RTlnKeq, wat uitdruklik toepaslike "aanvanklike" en "finale" toestande aanroep (soos gedoen in 'n Energie Storie).
  • Interpreteer reaksiekoördinaatdiagramme en assosieer veranderinge in Gibbs-entalpie en aktiveringsenergie met relatiewe tempo van reaksies, ewewigstoestande, en of 'n reaksie endergonies of eksergonies is.
  • Verstaan ​​hoe om die vergelyking ΔG = ΔH - TΔS te gebruik en verduidelik wat elke term verteenwoordig.
  • Interpreteer 'n biochemiese transformasie en voorspel of die reaksie is spontaan deur 'n Gibbs-entalpie (energie) reaksiekoördinaatdiagram te gebruik.
  • Beskryf die konsep van ewewig in die konteks van reaksiekoördinaatdiagramme.

Termodinamika

Termodinamikais bekommerdmet die beskrywing van die veranderinge in stelsels voor en na 'n verandering. In byna alle praktiese gevalle vereis hierdie ontledings dat die stelsel en sy omgewingvolledig beskryf word. Byvoorbeeld, wanneer die verhitting van 'n pot water op die stoof bespreek word, kan die stelsel die stoof, die pot, en die water insluit en die omgewing of omgewing kan alles anders insluit. Biologiese organismes iswat isoop stelsels genoem;energie oorgedra wordtussen hulle en hul omgewing.

Die Eerste Wet van Termodinamika

Die eerste wet van termodinamika handel oor die totale hoeveelheid energie in die heelal. Dit stel dat hierdie totale hoeveelheid energie konstant is.Met ander woorde, daarwas nog altyd, en sal altyd wees, presies dieselfde hoeveelheid energie in die heelal.

Volgens die eerste wet van termodinamika kan energieoorgedra wordvan plek tot plek, maar dit kan niegeskep wordof vernietig word. Energie-oordragte vind heeltyd om ons plaas. Gloeilampe dra energie van elektriese kragstasies oor na hitte en fotone van lig. Gasstowe dra energie wat in die bindings van chemiese verbindings gestoor word oor na hitte en lig. (Hitte, Terloops,is die hoeveelheid energie wat van een stelsel na 'n ander oorgedra word as gevolg van 'n temperatuurverskil.)

Plante voer een van die mees biologies bruikbare energie-oordragte op aarde uit: hulle dra energie in die fotone van sonlig oor na die chemiese bindings van organiese molekules. In elkeen van hierdie gevalle word energie nie gemaak of vernietig nie, en ons moet probeer rekenskap gee almal die energie wanneer ons sommige van hierdie reaksies ondersoek.

Die Eerste Wet en die Energieverhaal

Die eerste wet van termodinamika is bedrieglik eenvoudig. Studente verstaan ​​dikwels dat energie nie kan niegeskep wordof vernietig word. Tog, wanneer hulle 'n energieverhaal van 'n proses beskryf, maak hulle dikwels die fout om dinge te sê soos "energiegeproduseer wordvandie oordrag vanelektrone van atoom A na atoom B." Terwyl die meeste van ons die punt sal verstaan ​​wat die student probeer maak, word die verkeerde woorde gebruik. Energiegemaak word nieof vervaardig;dit word eenvoudig oorgedra. Om konsekwent te wees met die eerste wet, wanneer jy 'n energiestorie vertel, maak seker dat jy al die plekke wat AL die energie in die sisteem aan die begin van 'n proses aan die einde van 'n proses gaan, eksplisiet probeer opspoor.

Die Tweede Wet van Termodinamika

'n Belangrike konsep in fisiese sisteme is entropie. Entropie hou verband met hoe energie kanversprei wordof versprei binne die deeltjies van 'n sisteem. Die Tweede Wet van Termodinamika bepaal dat entropie altyd toeneem in 'n sisteem en sy omgewing (dit wil sê alles binne en buite die sisteem saam).

Hierdie idee help om die rigting van natuurlike verskynsels te verduidelik. Die idee is dat die gerigtheid afkomstig is van die neiging vir energie in 'n stelsel om na 'n toestand van maksimale verspreiding te beweeg. Die Tweede Wet impliseer dus dat in enige transformasie, ons moet soek na 'n algehele toename in entropie (of verspreiding van energie), iewers. Soos die verspreiding van energie in 'n sisteem of sy omgewing toeneem, word die vermoë van die energie om

gerig word

werk toe neem af.

Hou in gedagte: jy sal baie voorbeelde vind waarin die entropie van 'n sisteem afneem plaaslik. Volgens die Tweede Wet kan die entropie van die hele heelal egter nooit afneem. Dit moet beteken dat daar 'n gelyke of groter toename in entropie iewers anders in die omgewing is (heel waarskynlik in 'n nou gekoppelde sisteem) wat vir die plaaslike afname vergoed.


Ons assosieer die vier scenario's hieronder mettoenemendeentropie van die sisteem. Probeer om aan spesifieke voorbeelde te dink vir wanneer:

a. die stelsel kry energie;
b. 'n toestandsverandering vind plaas van vastestof na vloeistof na gas;
c. 'n vermenging van stowwe vind plaas;
d.dieaantal deeltjies neem toe tydens 'n reaksie.


Moontlik NB Bespreking Punt

Regverdig of weerlê die volgende stelling: "Biologiese stelsels is 'n uitsondering op die Tweede Wet van Termodinamika, aangesienselle bekend ishulself in te rangskikbaiehoogs georganiseerde strukture (dink: weefsels, organe, ens.)eerderas in 'n meer wanordelike toestand."Maak seker om te kontroleeruit wat jou maats sê--stem jy saam of verskil jy met hul standpunt en/of hul rasionaal?


Figuur 1. 'n Toename in wanorde kan op verskillende maniere gebeur. 'n Ysblokkie wat op 'n warm sypaadjie smelt, is een voorbeeld. Hier, ysword vertoonas 'n sneeuvlok, met georganiseerde, gestruktureerde watermolekules wat die sneeuvlok vorm. Met verloop van tyd sal die sneeuvlok in 'n poel ongeorganiseerde, vry bewegende watermolekules smelt. Dit is algemeen om entropie as 'n maatstaf van orde te beskryfas 'n manierom die meer konkrete beskrywing wat entropie verband hou met die aantal toestande waarinenergie versprei kan wordin 'n sisteem. Terwyldie idee vanmeetvolgorde om entropie te definieer het 'n paar foute, dit is soms 'n nuttige, indien onvolmaakte, proxy. (Bron)

As ons die eerste en tweede wet saam oorweeg, kom ons tot 'n nuttige gevolgtrekking. Wanneer energieword oorgedraof herverdeel binne 'n sisteem, moet entropie toeneem.Hierdie toename in entropie hou verbandna hoe "nuttig" die energie is omdoenwerk. Onthou weer dat hierdie energie al hoe minder beskikbaar word namate entropie toeneem.

Hou in gedagte: jy sal baie voorbeelde vind waarin die entropie van 'n sisteem afneem plaaslik. Dit moet beteken dat daar 'n gelyke of groter toename in entropie êrens anders in die omgewing is (heel waarskynlik in 'n nou gekoppelde sisteem) wat vir die plaaslike afname vergoed.

Ons kom tot die gevolgtrekking dat terwyl aldieenergie bewaar moet word, as die vereiste verandering entropie verhoog, beteken dit dat sommige energie versprei sal word op 'n manier wat dit minder bruikbaar maak vir werk. Meeste kere, veral in biologie, kan 'n mate van toename in entropiegekryt wordtot 'n oordrag van energie na hitte in die omgewing.

Die energie storie

Oorsig van die energieverhaal

Of ons dit weet, ons vertel elke dag stories wat materie en energie behels. Ons gebruik net selde terminologie wat verband hou met wetenskaplike besprekings van materie en energie.

Voorbeeld1

Die opstelling: 'n eenvoudige stelling met implisiete besonderhede
Jy vertel jou kamermaat 'n storie oor hoe jy by die kampus gekom het deur te sê: "Ek het vandag kampus toe gery." In hierdie eenvoudige stelling is verskeie aannamesdit isleersaam om uit te pak, selfs al lyk hulle dalk nie baie krities om eksplisiet in 'n toevallige gesprek tussen vriende oor vervoerkeuses in te sluit nie.

'n Buitestander se herinterpretasie van die proses
Om dit te illustreer, stel jou 'n eksterne waarnemer voor, soos 'n vreemdeling wat die koms en gaan van mense op Aarde dophou. Sonder die voordeel om baie van die geïmpliseerde betekenisse en redelike aannames te ken watword begrawein ons taal sou die vreemdeling se beskrywing van die oggendfietsry van jou eie verskil. Wat jy doeltreffend beskryf het as "fietsry kampus toe" kan dalkmeer spesifiek beskryf worddeur die vreemdeling as 'n verandering in ligging van 'n menslike liggaam en sy fiets van een plek (die woonstel, genoem posisie A) na 'n ander ligging (die universiteit, genoem posisie B). Die vreemdeling kan selfs meer abstrak wees en die fietsrit beskryf as die beweging van materie (die menslike liggaam en sy fiets) tussen 'n aanvanklike toestand (by plek A) na 'n finale toestand (by plek B). Vanuit die vreemdeling se oogpunt, kan wat jy "fietsry" noemmeer spesifiek beskryf wordas die gebruik van 'n tweewiel-gereedskap wat die oordrag van energie vanaf die elektriese velde in chemiese verbindings koppel aan die versnelling van die tweewiel-werktuig-persoon-kombinasie wat sy omgewing verhit. Ten slotte, begrawe in die eenvoudige stelling wat beskryf hoe ons aan die werk gekom het, is ook die stilswyende begrip dat die massa van die liggaam en fietsbewaar isin die proses (met 'n paar belangrike waarskuwings waarna ons in toekomstige lesings sal kyk) en dit 'n bietjie energiewasoorgedrarondom die sisteem en omgewing om die beweging van die liggaam van posisie A na posisie B moontlik te maak.

Besonderhede is belangrik. Wat as jy 'n ten volle elektriese fiets besit, en die persoon met wie jy gepraat het, het dit nie geweet nie? Watter belangrike besonderhede kan hierdie verander oor die "elke dag" storie wat jy vertel het dat die meer gedetailleerde beskrywing sou opgeklaar het? Hoe sou die vreemdeling se storie verander het? In watter scenario's kan hierdie veranderinge relevant wees?

Soos hierdie eenvoudige storie illustreer, ongeag baie faktore, sluit die handeling van die skep van 'n volledige beskrywing van 'n proses 'n mate van verantwoording in van wat met die saak gebeur het, wat met die energie gebeur het, en byna altyd 'n beskrywing van 'n meganisme wat beskryf hoe veranderinge in materie en energie van 'n sisteemgebring isoor.

Om hierdie vaardigheid in te oefenBIS2A, sal ons gebruik maak van iets wat ons graag die "Energieverhaal" noem. Jy kan gevra word om 'n "energiestorie" in die klas te vertel, om te oefen om energiestories op jou lesingstudiegidse te vertel, en om die konsep op jou eksamens te gebruik. In hierdie afdeling fokus ons hoofsaaklik daarop om die konsep van 'n energieverhaal bekend te stel en te verduidelik hoe om een ​​te vertel.Dit is opmerklik dat dieterm "energie storie"is gebruikampereksklusiefin(en het 'n spesifieke betekenis in hierdie klas). Hierdie presiese kwartaal sal nie in ander kursusse by UC Davis verskyn nie (ten minste op kort termyn), of as dit voorkom, sal dit waarskynlik niegebruikop dieselfde wyse. Jouinstrukteurs het hierdie benadering 'n kort naam gegee (energieverhaal) sodaardieons kan dit almal assosieer met die algemene oefening. Op dié manier, wanneer die instrukteur die klas vra om 'n energiestorie te vertel of te bou, weet almalwat bedoel word.

Definisie 1: energieverhaal

'n Energieverhaal is 'n narratief wat 'n proses of gebeurtenis beskryf. Die kritieke elemente van hierdie narratief issoos volg:

  1. Identifiseer ten minste twee toestande (bv. begin en einde) in die proses.
  2. Identifiseer en lys die saak in die stelsel en sy toestand aan die begin en einde van die proses.
  3. Beskryf die transformasie van die saak wat tydens die proses plaasvind.
  4. Reken vir die "ligging" van energie in die stelsel aan die begin en einde van die proses.
  5. Beskryf die oordrag van energie wat tydens die proses plaasvind.
  6. Identifiseer en beskryf meganisme(s) wat verantwoordelik is vir die bemiddeling van die transformasie van materie en oordrag van energie.

'n Volledige energieverhaal sal 'n beskrywing van die aanvanklike reaktante en hul energetiese toestande insluit, asook 'n beskrywing van die finale produkte en hul energetiese toestande nadat die proses of reaksie voltooi is.


Moontlik NB Bespreking Punt

Ons argumenteer dat die energieverhaal kanword gebruik omkommunikeer al die nuttige besonderhede watword benodigom byna enige proses te beskryf. Kan jy aan 'n proses dinkwat nie voldoende deur 'n energieverhaal beskryf kan word nie? Indien wel, beskryf so 'n proses.


Voorbeeld 2: voorbeeld van energieverhaal

Kom ons veronderstel dat ons praat oor die proses om 'n motor van "Punt A" na "Punt B" te bestuur (sien Figuur 1).

Figuur 1: Dit is 'n skema van 'n motor wat van 'n beginposisie, "Punt A," na 'n eindpunt, "Punt B, beweeg." Die blou reghoek wat agter in die motor uitgebeeld word, verteenwoordig die vlak van die petrol; die pers, kronkelende lyn naby die uitlaatpyp verteenwoordig die uitlaat; kronkelende blou lyne bo-op die motor verteenwoordig klankvibrasies; en die rooi skakering verteenwoordig areas wat warmer is as aan die begin. Bron: geskep deur Marc T. Facciotti (eie werk)

Kom ons stap deur die Energy Story-rubriek:

1. Identifiseer ten minste twee toestande (bv. begin en einde) in die proses.

In hierdie voorbeeld kan ons maklik twee state identifiseer. Die eerste toestand is die nie-bewegende motor by "Punt A," die begin van die reis. Die tweede toestand, nadat die proses voltooi is, is die nie-bewegende motor by "Punt B."

2. Identifiseer en lys die saak in die stelsel en sy toestand aan die begin en einde van die proses.

In hierdie geval let ons eers op dat die "stelsel" alles in die figuur insluit—die motor, die pad, die lug rondom die motor, ens.

Dit is belangrik om te verstaan ​​dat ons die fisiese wet van behoud van materie gaan toepas. Dit wil sê, in enige van die prosesse wat ons sal bespreek, word materie nie geskep of vernietig nie. Dit mag dalk van vorm verander, maar 'n mens behoort alles te kan verantwoord aan die einde van 'n proses wat aan die begin daar was.

Aan die begin van die proses bestaan ​​die saak in die stelsel uit die volgende:
1. Die kar en al die goed daarin
2. Die brandstof in die motor ('n spesiale ding in die motor)
3. Die lug (insluitend suurstof) om die motor.
4. Die pad
5. Die bestuurder

Aan die einde van die proses word die saak in die stelsel soos volg versprei:
1. Die kar en al die goed daarin is op 'n nuwe plek (kom ons neem aan, behalwe die brandstof en posisie, dat niks anders verander het nie).
2. Daar is minder brandstof in die motor, en dit is ook op 'n nuwe plek.
3. Die lug het verander; dit het nou minder molekulêre suurstof, meer koolstofdioksied en meer waterdamp.
4. Die pad het nie verander nie (kom ons neem aan dit het nie verander nie—behalwe 'n paar klippies wat rondbeweeg het).
5. Die bestuurder het nie verander nie (kom ons neem aan sy het nie verander nie - alhoewel ons teen die einde van die kwartaal sal sien dat sy ten minste 'n bietjie verander het). Die bestuurder is egter nou op ’n ander plek.

3. Beskryf die transformasie van die saak wat tydens die proses plaasvind.

Wat het in hierdie proses van die saak geword? Danksy baie vereenvoudigende aannames sien ons dat twee groot dinge gebeur het. Eerstens het die motor en sy bestuurder van posisie verander—hulle het van "Punt A" na "Punt B" gegaan. Tweedens let ons op dat sommige van die molekules in die brandstof, wat vroeër as 'n vloeistof in die motor was, van vorm verander het en nou meestal in die vorm van koolstofdioksied en waterdamp is (pers blop wat uit die uitlaatpyp kom). Van die suurstofmolekules wat vroeër in die lug was, is nou ook op ’n nuwe plek as deel van die koolstofdioksied en water wat die motor verlaat het.

4. Verklaar die “ligging” van energie in die stelsel aan die begin en einde van die proses.

Dit is weer belangrik om te verstaan ​​dat ons die fisiese wet van behoud van energie gaan oproep. Dit wil sê, ons bepaal dat die energie in die sisteem nie geskep of vernietig kan word nie, en daarom moet die energie wat in die sisteem is aan die begin van die proses steeds daar wees aan die einde van die proses. Dit is dalk herverdeel, maar jy behoort al die energie te kan verreken.

Aan die begin van die proses word die energie in die sisteem soos volg versprei:
1. Die energie is vasgebind in die assosiasies tussen atome waaruit die materie van die motor bestaan.
2. Die energie is vasgebind in die assosiasies tussen atome waaruit die brandstof bestaan.
3. Die energie is vasgebind in die assosiasies tussen atome waaruit die lug bestaan.
4. Die energie is vasgebind in die assosiasies tussen atome waaruit die pad bestaan.
5. Die energie is vasgebind in die assosiasies tussen atome waaruit die drywer bestaan.
6. Vir al die dinge hierbo kan ons ook sê dat daar energie is in die molekulêre bewegings van die atome waaruit die goed bestaan.

Aan die einde van die proses word die energie in die sisteem soos volg versprei:
1. Vir al die dinge hierbo kan ons ook sê dat daar energie is in die molekulêre bewegings van die atome waaruit die goed bestaan.

Dit is in 'n sekere sin interessant, want die lyste is omtrent dieselfde. Ons weet dat die hoeveelheid energie wat in die motor gestoor word, afgeneem het, want daar is minder brandstof. Iets moes gebeur het.

5. Beskryf die oordrag van energie wat tydens die proses plaasvind.

In hierdie spesifieke voorbeeld is dit die oordrag van energie tussen die komponente van die sisteem wat die interessantste is. Soos ons genoem het, is daar minder energie gestoor in die petroltenk van die motor aan die einde van die rit, want daar is nou minder brandstof. Ons weet ook intuïtief (uit werklike ervaring) dat die oordrag van energie van die brandstof na iets anders instrumenteel was om die motor van "punt A" na "punt B" te beweeg. So, waar het hierdie energie gegaan? Onthou, dit het nie net verdwyn nie. Dit moes iewers anders in die stelsel beweeg het.

Wel, ons weet dat daar na die proses meer koolstofdioksied en waterdamp in die stelsel is. Daar is energie in die assosiasies tussen daardie atome (atome wat vroeër in die brandstof en lug was). So van die energie wat in die brandstof was, is nou in die uitlaat.Kom ons put ook weer uit werklike ervaring, en sê dat ons weet dat dele van ons motor teen die einde van die rit warm geword het (bv. die enjin, transmissie, wiele/bande, uitlaat, ens.). Vir die oomblik sal ons net ons intuïsie gebruik en sê dat ons verstaan ​​dat om iets warm te maak, die oordrag van energie behels. Ons kan dus redelikerwys postuleer dat van die energie in die brandstof (direk of indirek) gegaan het om die motor, dele van die pad en die uitlaat te verhit - en dus die omgewing rondom die motor. 'n Hoeveelheid energie het ook ingegaan om die motor van nul snelheid te versnel tot watter spoed dit ook al ry, maar die meeste van daardie energie het uiteindelik hitte geword toe die motor tot stilstand gekom het.

Dit is 'n bietjie van 'n golwende verduideliking, en ons sal deur die kwartaal leer hoe om 'n beter werk te doen. Die hoofpunt is dat ons al die energie van die sisteem moet kan byvoeg aan die begin van die proses (op al die plekke waar dit gevind word) en aan die einde van die proses (op al die plekke waar dit gevind word), en daardie twee waardes moet dieselfde wees.

6. Identifiseer en beskryf meganisme(s) wat verantwoordelik is vir die bemiddeling van die transformasie van materie en oordrag van energie.

Ten slotte is dit nuttig om te probeer verstaan ​​hoe daardie transformasies van materie en oordragte van energie moontlik gefasiliteer kon word. Kortheidshalwe kan ons net sê dat daar 'n ingewikkelde meganiese toestel (die enjin) was wat gehelp het om die omskakeling van materie en oordrag van energie oor die stelsel te vergemaklik en dit gekoppel het aan die verandering in posisie van die motor. Iemand wat in enjins belangstel, sal natuurlik 'n meer gedetailleerde verduideliking gee.

In hierdie voorbeeld het ons 'n klomp vereenvoudigende aannames gemaak om die proses uit te lig en op die transformasie van die brandstof te fokus. Maar dit is goed. Hoe meer jy van die prosesse verstaan, hoe fyner besonderhede kan jy byvoeg. Let daarop dat jy die Energy Story-rubriek kan gebruik om jou begrip (of op soek na gate in jou begrip) van byna enige proses (seker in biologie) te beskryf. In BIS2A sal ons die Energieverhaal gebruik om 'n begrip te kry van prosesse so uiteenlopend soos biochemiese reaksies, DNA-replikasie, die funksie van molekulêre motors, ens.

Belangrik:

Eerstens: Ons sal deur die loop van die kursus aan baie voorbeelde van die energieverhaal werk—moenie voel dat jy vandag bemeestering oor hierdie onderwerp hoef te hê nie.

Tweedens: Alhoewel dit aanloklik is om te dink dat dit alles oorbodig is of nie relevant is vir jou studie van biologie in BIS2A nie, laat dit dien as 'n herinnering dat jou instrukteurs (dié wat die kursus middeltermyn- en finale assesserings skep) dit as kernmateriaal beskou. Ons sal hierdie onderwerp gereeld deur die kursus herbesoek, maar jy moet nou met sommige van die basiese konsepte vertroud raak.

Dit is belangrike materiaal en 'n belangrike vaardigheid om te ontwikkel - moenie uitstel om dit te bestudeer nie, want dit "lyk" nie vandag vir jou soos "biologie" nie. Die akademiese kwartaal beweeg BAIE vinnig, en dit sal moeilik wees om later in te haal as jy nie nou daaroor dink nie.

Energie

Energie is 'n sentrale konsep in alle wetenskappe. Energie is 'n eienskap van 'n sisteem. Alhoewel dit nie geskep of vernietig kan word nie, is die begrip van die oordrag van energie rondom fisiese stelsels 'n sleutelkomponent om te verstaan ​​hoe en hoekom dinge verander. In die volgende afdelings sal ons 'n paar basiese konsepte ondersoek wat met algemene transformasies in biologie en chemie geassosieer word: die oplosbaarheid van verskeie biomolekules, die maak en breek van chemiese bindings, die oordrag van elektrone, die oordrag van energie na en van lig, en die oordrag van energie as hitte. In die klas sal baie van die besprekings in die konteks van die Energie Storie rubriek, dus wanneer ons 'n reaksie van transformasie oorweeg, sal ons daarin belangstel om die betrokke sisteem presies te definieer en om al die verskillende oordragte van energie wat binne die sisteem plaasvind te probeer verreken, en seker te maak dat ons by die Wet van behoud van energie.

Daar is baie voorbeelde waar ons die konsep van energie in ons alledaagse lewens gebruik om prosesse te beskryf. 'n Fietsryer kan fietsry om by die kampus uit te kom vir klas. Die daad om haarself en haar fiets van punt A na punt B te beweeg, kanverduidelik wordtot 'n sekere matedeur die oordrag van energie wat plaasvind te ondersoek. Ons kan deur 'n verskeidenheid lense na hierdie voorbeeld kyk, maar as bioloë wil ons meer as waarskynlik die reeks gebeure verstaan ​​wat verduidelik hoe energieword oorgedravan voedselmolekules tot die gekoördineerde aktiwiteit van biomolekules in 'n fietsryer se buigingspier, en laastens, na die beweging van die fiets van punt A na punt B. Om dit te doen, moet onsin staat wees ompraat oor verskeie maniere waarop energie kanoorgedra wordtussen dele van 'n stelsel en waar ditword gestoorof uit die stelsel oorgeplaas word. In die volgende afdeling sal ons ook die behoefte sien om te oorweeg hoe daardie energieword verspreionder die vele mikrotoestande (molekulêre toestande) van die sisteem en sy omgewing.

Hoe ons konseptualisering van energie sal benader

In BIS2A sal ons dink oor energie met 'n "goed" metafoor. Let egter daarop dat energie is NIE 'n stof, dit is eerder 'n eiendom van 'n stelsel. Maar ons sal daaraan dink, in 'n sekere sin, as eiendom wat kangestoor wordin 'n deel van 'n fisiese stelsel en oorgedra of "verskuif" van een stoorplek na 'n ander. Die idee is om die konsep te versterk dat energie sy identiteit behou wanneer dit oorgedra word - dit verander nie per se vorm nie. Hierdieop sy beurtmoedig ons ook aan om seker te maak dat energie altyd 'n tuiste het en waarvoor ons rekenskap geeal dieenergie in 'n sisteem voor en na 'n transformasie; dit word nie net "gemaak" of "verdwaal" nie (albeivan hierdieidees weerspreek die Wet van Behoud van Energie). Wanneer energie oorgedra word, moet ons dus identifiseer waar dit vandaan kom en waarheen dit gaan—dit alles! Weereens, ons kan nie net 'n paar verdwaal nie. Wanneer energieword oorgedra, daar moeteen of ander meganisme wat verband houmet daardie oordrag. Kom ons dink daaroor om ons te help verduideliksommige van dieverskynsels waarin ons belangstel. Daardie meganisme is deel van die "hoe" wat ons dikwels daarin belangstel om te verstaan. Ten slotte, as ons praat oor oordrag, onsmoetbesef dat beide komponente,die deel van die fisiese sisteem wat energie prysgegee het en die deel van die sisteem wat daardie energie ontvang het, word verandervanaf hul aanvanklike toestande. Ons moet seker maakdaardieons kyk naal diekomponente van 'n stelsel vir veranderinge in energie wanneer 'n transformasie ondersoek word.

Energiebronne

Uiteindelik kom die bron van energie vir baie prosesse wat op die Aarde se oppervlak plaasvind van sonstraling. Maar soos ons sal sien, was biologie baie slim om 'n verskeidenheid vorme van energie te ontgin om lewende wesens te konstrueer en in stand te hou. Soos ons deur hierdie kursus beweeg, sal ons 'n verskeidenheid energiebronne ondersoek en die maniere waarop biologie uitgedink het om energie van hierdie brandstowwe oor te dra.

Energie in chemiese reaksies

Chemiese reaksies behels 'n herverdeling van energie binne die reagerende chemikalieë en met hul omgewing. Dus, hou daarvan of nie, ons moet 'n paar modelle ontwikkel wat ons kan help om te beskryf waar energie in 'n stelsel is (miskien hoe dit "geberg"/verspreid word) en hoe dit kanverskuif wordrond in 'n reaksie. Die modelle wat ons ontwikkel sal niete gedetailleerd weesin die sin dat hulle 'n geharde chemikus of fisikus tevrede sou stel met hul vlak van tegniese detail, maar ons verwag dat hulle steeds tegnies korrek moet wees en nie verkeerde verstandsmodelle sal vorm wat dit later moeilik sal maak om die "verfynings" te verstaan ​​nie.

In hierdie opsig is een van die sleutelbegrippe om te verstaan ​​dat ons daaraan sal dink dat energie tussen dele van 'n sisteem oorgedra word eerder as om te veel daaroor te verwys as getransformeer. Die onderskeid tussen "oordrag" en "transformeer" is belangrik omdat laasgenoemde die indruk wek dat energie 'n eienskap is wat in verskillende vorme bestaan, dat dit op een of ander manier hervorm word. Die algemene gebruik van die term "transformeer" met betrekking tot energie is verstaanbaar aangesien verskillende verskynsels wat verband hou met die konsep van energie fisies anders vir ons "lyk". Een potensiële probleem met die gebruik van die "transformeer"-taal is egter dat dit soms moeilik is om te versoen met die idee dat energie bewaar word (volgens die eerste wet van termodinamika) as dit voortdurend van vorm verander. Hoe kan die entiteit van energiebewaar wordas dit na 'n transformasie nie meer dieselfde is nie (bv. getransformeer)? Die tweede wet van termodinamika sê vir ons dat geen transformasie alle energie in 'n sisteem bewaar nie. As energie "getransformeer" word, hoe kan ditbewaar worden steeds konsekwent wees met die tweede wet van termodinamika?

Dus, in plaas daarvan, sal ons hierdie kwessie benader deur energie tussen verskillende dele van 'n stelsel oor te dra en te stoor en dus aan energie dink as 'n eienskap wat herverdeel kan word. Dit sal hopelik die boekhouding van energie makliker maak. Nie dat die energie "oordrag" idee konsekwent en versoenbaar is met terme soos "potensiële energie" en "kinetiese energie", aangesien dit nuttig is om te beskryf hoe die energie tussen die beweging van materie en die verskillende velde (bv. , ens.) in 'n stelsel.

VERSIGTIG

As ons gaan dink aan die oordrag van energie van een deel van 'n stelsel na 'n ander, moet ons ook versigtig wees oor NIE die behandeling van energie soos 'n stof wat soos 'n vloeistof of "ding" beweeg. Ons moet eerder energie waardeer bloot as 'n eienskap van 'n sisteem wat gemeet en herorganiseer kan word, maar dit is nie 'n "ding" of iets wat op een tydstip in een vorm is, dan later in 'n ander.

Aangesien ons dikwels met transformasies van biomolekules te doen het, kan ons begin deur te dink oor waar energie in hierdie sisteme gevind/geberg kan word. Ons sal met 'n paar idees begin en later meer daarby voeg.

Kom ons stel voor dat een plek waar energie gestoor kan word in die beweging van materie is. Vir kortheid gee ons die energie wat in beweging gestoor is 'n naam: kinetiese energie. Molekules in biologie is in konstante beweging en het dus 'n sekere hoeveelheid kinetiese energie (energie wat in beweging gestoor word) wat daarmee geassosieer word.

Kom ons stel ook voor dat daar 'n sekere hoeveelheid energie in die biomolekules self gestoor is en dat die hoeveelheid energie wat in daardie molekules gestoor word geassosieer word met die tipes en getalle atome in die molekules en hul organisasie (die aantal en tipes bindings tussen hulle). Die bespreking van presies waar die energie in die molekules gestoor word, is buite die bestek van hierdie klas, maar ons kan dit benader deur voor te stel dat 'n goeie proxy in die bindings is. Verskillende tipes bindings kan geassosieer word met die berging van verskillende hoeveelhede energie. In sommige kontekste kan hierdie tipe energieberging gemerk word potensiële energie of chemiese energie. Met hierdie siening is een van die dinge wat tydens die maak en breek van bindings in 'n chemiese reaksie gebeur dat die energie oor die sisteem na verskillende tipes bindings oorgedra word. In die konteks van 'n Energieverhaal kan 'n mens teoreties die hoeveelheid energie wat in die bindings en beweging van die reaktante gestoor word en die energie wat in die bindings en energie van die produkte gestoor word, tel.

In sommige gevalle sal jy dalk vind dat wanneer jy die energie wat in die produkte gestoor is en die energie wat in die reaktante opgetel word bytel dat hierdie somme nie gelyk is nie. As die energie in die reaktante groter is as dié in die produkte, waarheen het hierdie energie gegaan? Dit moes na iets anders oorgeplaas word. Sommige sal beslis in ander dele van die sisteem inbeweeg het, gestoor in die beweging van ander molekules (wat die omgewing verwarm) of dalk in die energie wat met fotone van lig geassosieer word. Een goeie, werklike voorbeeld is die chemiese reaksie tussen hout en suurstof (reaktante) en dit se omskakeling na koolstofdioksied en water (produkte). Aan die begin is die energie in die sisteem grootliks in die molekulêre bindings van suurstof en die hout (reaktante). Daar is nog energie oor in die koolstofdioksied en water (produkte), maar minder as aan die begin. Ons almal waardeer dat van daardie energie oorgedra is na die energie in lig en hitte. Hierdie reaksie waar energie na die omgewing oorgedra word, word genoem eksotermies. Daarenteen, in sommige reaksies, sal energie vanaf die omgewing oorgedra word. Hierdie reaksies is endotermies.

Die oordrag van energie in of uit die reaksie vanaf die omgewing is NIE die enigste ding wat bepaal of 'n reaksie spontaan sal wees of nie. Ons sal dit binnekort bespreek. Vir die oomblik is dit belangrik om gemaklik te raak met die idee dat energie tydens 'n reaksie tussen verskillende komponente van 'n sisteem oorgedra kan word en dat jy in staat moet wees om dit na te spoor.

Gratis Energie

As ons transformasies wil beskryf, is dit nuttig om 'n maatstaf te hê van (a) hoeveel energie in 'n sisteem is, (b) die verspreiding van daardie energie binne die sisteem en (c) hoe hierdie faktore verander tussen die begin en einde van 'n proses. Die konsep van vrye energie, wat dikwels na verwys word as Gibbs-energie of Gibbs-entalpie (afgekort met die letter G), in 'n sekere sin, doen presies dit. Ons kan Gibbs-energie op verskeie inter-omskakelbare maniere definieer, maar 'n nuttige een in die konteks van biologie is die entalpie (interne energie) van 'n sisteem minus die entropie van die stelsel volgens die temperatuur. Die verskil in vrye energie wanneer 'n proses plaasvind, word dikwels gerapporteer in terme van die verandering (Δ) van entalpie (interne energie) aangedui H, minus die temperatuurskaalverandering (Δ) in entropie, aangedui S. Sien die vergelyking hieronder.

ΔG=ΔH−TΔS

Ons interpreteer dikwels die Gibbs-energie as die hoeveelheid energie wat beskikbaar is om nuttige werk te doen. Met 'n bietjie handswaai kan ons hierdie stelling interpreteer deur die idee aan te roep wat in die afdeling oor entropie aangebied word, wat sê dat die verspreiding van energie (wat deur die Tweede Wet vereis word) wat verband hou met 'n positiewe verandering in entropie op een of ander manier 'n mate van energie lewer watword oorgedraminder nuttig om te werk. 'n Mens kan sê dat dit dit gedeeltelik in die T∆S-term van die Vergelyking weerspieël.

Om 'n basis te verskaf vir billike vergelykings van veranderinge in Gibbs-energie tussen verskillende biologiese transformasies of reaksies,die vrye energieverandering van 'n reaksie word gemeetonder 'n stel algemene standaard eksperimentele toestande.Die gevolglike standaard vrye energie verandering van 'n chemiese reaksie word uitgedrukas 'n hoeveelheid energie permolvan die reaksieproduk (óf in kilojoules of kilokalorieë, kJ/molof kcal/mol; 1 kJ = 0,239 kcal), wanneer gemeet by 'n standaard pH, temperatuur en druk toestande. Standaard pH-, temperatuur- en druktoestandeis oor die algemeen gestandaardiseerby pH 7.0, 25 grade Celsius en 100 kilopascal (1atmdruk), onderskeidelik. Dit is belangrik om daarop te let dat sellulêre toestande verskil van hierdie standaardtoestande, en dus sal werklike ∆G binne 'n sel aansienlik verskil van dié wat onder standaardtoestande bereken word.

Chemiese ewewig—Deel 2: Gibbs Energie

In 'n vorige afdeling het ons begin met 'n beskrywing van chemiese ewewig indie context vanvoorwaartse en terugwaartse koerse. Ons het drie sleutelidees aangebied:

  1. By ewewig verander die konsentrasies van reaktante en produkte in 'n omkeerbare reaksie nie betyds.
  2. 'n Omkeerbare reaksie by ewewig is nie staties nie - reaktante en produkte gaan voortinteromskakelby ewewig, maar die tempo van die voorwaartse en terugwaartse reaksies is dieselfde.
  3. Onssou NIEtrap in 'n algemene studente-strik deur te aanvaar dat chemiese ewewig beteken dat die konsentrasies van reaktante en produkte gelyk is by ewewig.

Hier brei ons ons bespreking uit en plaas die konsep van ewewig in die konteks van Gibbs-energie, wat ook die Energieverhaal-oefening versterk om die "Voor/Begin" en "Na/Einde"-toestande van 'n reaksie te oorweeg (insluitend die inherente verloop van tyd) .

Figuur 1. Reaksiekoördinaatdiagram vir 'n generiese eksergoniese omkeerbare reaksie. Vergelykings wat Gibbs-energie en die ewewigskonstante in verband bring: R = 8,314 J mol-1 K-1 of 0,008314 kJ mol-1 K-1; T is temperatuur in Kelvin. Erkenning: Marc T. Facciotti (oorspronklike werk)

Die figuur hierbo toon 'n algemeen aangehaalde verhouding tussen ∆G° en Keq:

[ ∆G^o = -RTln K_{eq}.]

Hier dui G° die Gibbs-energie aan onder standaardtoestande (bv. 1 atmosfeer van druk, 298 K). Hierdie vergelyking beskryf die verandering in Gibbs-energie vir reaktante wat omskakel na produkte in 'n reaksie wat in ewewig is. Die waarde van ∆G° kan dus beskou word as intrinsiek aan die reaktante en produkte self. ∆G° is soos 'n potensiële energieverskil tussen reaktante en produkte. Met hierdie konsep as basis kan 'n mens ook 'n reaksie oorweeg waar die "begin"-toestand iewers buite ewewig is. In hierdie geval kan daar 'n bykomende "potensiaal" wees wat verband hou met die buite-ewewig begintoestand. Hierdie "bygevoegde" komponent dra by tot die ∆G van 'n reaksie en kan effektief gevoeg word by die uitdrukking vir Gibbs energie soos volg:

[∆G = ∆G° + RTln Q, ]

waar (Q) die reaksiekwosiënt genoem word. Vanuit die oogpunt van Algemene Biologie sal ons 'n eenvoudige ('n bietjie onvolledige maar funksionele) definisie gebruik vir

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

by 'n gedefinieerde nie-ewewigstoestand, st. 'n Mens kan hierdie idee uitbrei en die Gibbs-energieverskil tussen twee nie-ewewigtoestande bereken, mits hulle behoorlik gedefinieer is en dus Gibbs-energieveranderinge tussen spesifiek gedefinieerde buite-ewewigtoestande bereken. Hierdie laaste punt is dikwels relevant in reaksies wat in biologiese sisteme gevind word, aangesien hierdie reaksies dikwels in multi-stap paaie gevind word wat effektief individuele reaksies in 'n buite-ewewig toestand hou.

Dit bring ons by 'n punt van verwarring vir sommige. In baie biologieboeke sluit die bespreking van ewewig nie net die bespreking van voorwaartse en terugwaartse reaksietempo's in nie, maar ook 'n stelling dat ∆G = 0 by ewewig. Dit kan verwarrend wees omdat hierdie einste besprekings dikwels volg op besprekings van nie-nul ∆G°-waardes in die konteks van ewewig (∆G° = -RTlnKeq). Die nuanse om uit te wys is dat ∆G° verwys na die Gibbs-energiepotensiaal wat inherent is aan die chemiese transformasie tussen reaktante en produkte alleen. Dit is anders as om die vordering van die reaksie te oorweeg vanaf 'n buite-ewewig toestand wat beskryf word deur

[∆G = ∆G^o + RT ln Q.]

Hierdie uitdrukking kan soos volg uitgebrei word:

[∆G = -RTln K_{eq} + RTln Q]

om die nuanse in duideliker fokus te bring. Let in hierdie geval op dat wanneer Q Keq nader, die reaksie ∆G nader aan nul word, en uiteindelik nul bereik wanneer Q = Keq. Dit beteken dat die Gibbs-energie van die reaksie (∆G) nul by ewewig bereik, nie dat die potensiaalverskil tussen substrate en produkte (∆G°) nul bereik nie.