Kimyasal Termodinamik I - mustafaaltinisik.org.uk

KİMYASAL
TERMODİNAMİK
KAVRAMLARI I
Doç.Dr. Mustafa ALTINIŞIK
ADÜTF Biyokimya AD
2006
1
Canlı hücredeki reaksiyonlar
Canlı hücredeki reaksiyonların çoğu, beş genel
kategoriden birine uyar:
•Fonksiyonel grup transferi
•Oksidasyon-redüksiyon
•Bir veya daha fazla karbon atomu çevresindeki bağ
yapısının yeniden düzenlenmesi
•CC bağlarını oluşturan veya yıkan reaksiyonlar
•Bir molekül su çıkışıyla iki molekülün kondensasyonu
reaksiyonları
2
Fonksiyonel grup transferi
3
Oksidasyon-redüksiyon
4
Bir veya daha fazla karbon atomu çevresindeki
bağ yapısının yeniden düzenlenmesi
5
CC bağlarını oluşturan veya yıkan reaksiyonlar
6
Bir molekül su çıkışıyla iki molekülün
kondensasyonu reaksiyonları
7
Genel olarak biyokimyasal reaksiyonlarda, nükleofiller
ile elektrofiller arasındaki etkileşimden kimyasal bağlar
oluşur veya mevcut bağlar yıkılarak yenileri oluşturulur.
8
Nükleofiller, elektrondan zengin ve bunları verme
yeteneğinde olan atom veya atom gruplarıdır
9
Elektrofiller, elektronları eksik ve elektron elde etmeye
çalışan atom veya atom gruplarıdır.
10
Genel olarak biyokimyasal reaksiyonlarda, olaya katılan
maddelerin termodinamik özellikleri denen bazı
özelliklerde değişmeler olur.
Termodinamik özellikler ve aralarındaki ilişkiler,
termodinamik adı verilen ayrı bir bilim dalında
incelenir.
11
Termodinamik
Termodinamikte bir organizma, bir hücre veya birbiri ile
reaksiyona giren iki madde, sistem olarak tanımlanır. Bir
sistem, bir çevre içinde yer almaktadır. Sistem ve
çevrenin ikisi birlikte de evreni oluştururlar.
12
Çevre ile enerji ve madde alışverişlerindeki ilişkilere göre
izole, kapalı ve açık olmak üzere üç farklı sistem türü
tanımlanır.
13
İzole sistemlerde çevre ile enerji ve madde alışverişi olmaz.
14
Kapalı sistemlerde çevre ile enerji alışverişi olur, fakat
madde alışverişi olmaz.
15
Açık sistemlerde çevre ile hem enerji hem madde alışverişi
olur.
16
Termodinamik özellikler:
•enerji (E)
•entalpi (H)
•entropi (S)
•serbest enerji (G)
Kimyasal reaksiyonlar sırasında reaksiyona katılan
maddeler (reaktantlar, substratlar) ve reaksiyon sonunda
oluşan maddelerin (ürünler) enerjilerinde, entalpilerinde,
entropilerinde, serbest enerjilerinde değişimler
olmaktadır.
17
Enerji (E), iş yapma kabiliyetidir.
Enerji birimi jouledür (J).
kalori (cal) de enerji birimi olarak kullanılır.
(1 cal=4,187 J)
18
Bir molekülün enerjisi, nükleus içi enerjileri ve moleküler
elektronik, translasyonal, rotasyonal, vibrasyonal
enerjileri kapsar.
19
Kimyasal reaksiyonlar sırasında substratlar ve
ürünlerdeki enerji değişimi (E) olarak ifade edilir.
E2
E1
E2-E1=ΔE
20
Entalpi (H), enerji ile ilişkili bir durum fonksiyonudur.
Kimyasal reaksiyonlarda reaksiyon sisteminin ısı
içeriğini tanımlar.
H2
H1
H2-H1=ΔH
21
Sistemin volüm artışı veya volüm azalmasından başka
iş yapılmazsa Entalpi değişikliği (H), çevreden
alınan veya çevreye verilen ısı miktarıdır.
H2
H1
H2-H1=ΔH
H = E + (PV)
22
Bir kimyasal reaksiyon sırasında çevreye ısı yayılıyorsa,
H negatif () ve reaksiyon ekzotermik reaksiyondur.
23
Bir kimyasal reaksiyon sırasında çevreden ısı alınıyorsa,
H pozitif (+) ve reaksiyon endotermik reaksiyondur.
24
Termodinamiğin birinci yasası
Bir sistemin enerjisinde herhangi bir değişiklik
çevrede eşit ve zıt bir değişikliği gerektirir.
Herhangi fiziksel
veya kimyasal
değişimde enerjinin
biçimi değişebilir,
fakat evrendeki total
enerji miktarı sabit
kalır.
25
Entropi (S), kimyasal bir sistemin komponentlerinin
rasgelelik veya düzensizliğidir.
Sistemin düzensizliğinde herhangi bir değişiklik
entropi değişikliği (S) olarak ifade edilir.
S2
S1
S2-S1=ΔS
26
Sistemin düzensizliğinin artması (düzenliliğin
azalması) durumunda S’nin değeri pozitifdir (+).
Sistemin düzensizliğinin azalması (düzenliliğin
artması) durumunda S’nin değeri negatifdir (-).
27
Termodinamiğin ikinci yasası
Kendiliğinden gerçekleşen herhangi bir
süreçte sistem ve çevrenin total entropisi artar.
“Evren
kaçınılmaz olarak
düzenli durumdan
daha düzensiz
duruma gider.”
28
Termodinamiğin üçüncü yasası
0oK sıcaklıkta entropi sıfırdır
29
Serbest enerji (G), sistemin iş yapmak için kullanılabilir
enerjisidir.
G1
G2
Sistemin serbest enerjisinde değişiklik bir iş yapılmasıyla
birlikte olur. Bu iş kimyasal iş veya kimyasal enerji
şeklinde olabilir.
Canlılarda enerji dönüşümü ve bu dönüşümün gerçekleşmesini
sağlayan biyokimyasal olayların tümü biyoenerjetikler olarak
adlandırılmaktadır.
30
Serbest enerji değişikliği G sembolü ile ifade edilir.
G1
G2
G2-G1=ΔG
Gibbs serbest enerjisi olarak da bilinen serbest enerji,
entalpi (H) ve entropinin (S) bir fonksiyonu olarak ifade
edilebilir. T mutlak sıcaklık (oK) olduğuna göre:
31
Kimyasal reaksiyonlar için 298oK (25oC) sıcaklık, 1
atmosfer basınç, pH=0 (H+=1M) ve her komponent için
1 M konsantrasyon şartları, standart şartlar olarak
belirlenmiştir.
Biyokimyasal reaksiyonların çoğu, pH=7’ye yakın olacak
şekilde iyi tamponlanmış sulu çözeltilerde meydana gelir;
hem pH, hem de suyun konsantrasyonu sabit kalır.
Biyokimyacılar tarafından belirlenen standart durumda
pH=7 (H+=107M) ve suyun konsantrasyonu 55,5 M’dır.
32
Bir reaksiyon için standart şartlar altında serbest enerji
değişikliği standart serbest enerji değişikliği olarak
tanımlanır ve bu, Go sembolü ile gösterilir.
Biyokimyasal standart duruma dayanan fiziksel değerler,
kimyacılar ve fizikçiler tarafından kullanılanlardan
ayırtetmek için üs işareti ile yazılır.
33