Antwort
Bei den meisten chemischen Reaktionen, bei denen Bindungen aufgebrochen werden, sind es andere Bindungen gebildet. Nehmen Sie Ihr Beispiel für die Hydrolyse von ATP. Eine Bindung zwischen zwei Phosphatgruppen bricht, aber eine der Phosphatgruppen bildet eine neue Bindung mit dem Sauerstoff von Wasser. Ob Energie freigesetzt oder aufgenommen wird (ob die Reaktion exotherm oder endotherm ist), hängt von der Summe der Energien ab, die mit dem Aufbrechen und Herstellen von Bindungen bei dieser Reaktion verbunden sind.
Wie setzt die Bindungsbildung Energie frei?
Im einfachsten Fall in Form von kinetischer Energie Erwärmung des Reaktionsgemisches. Bei der ATP-Hydrolyse in biologischen Prozessen wird die Energie manchmal in mechanische Energie (Muskelkontraktion) umgewandelt, die zum Betreiben von Pumpen (Übertragung von Signalen im Nervensystem) verwendet wird, oder in andere Prozesse, die nicht von alleine ablaufen würden / p>
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Ich liebe diese Frage!
Ich unterrichte Chemie auf verschiedenen Ebenen und dieses Konzept rund um die ATP-Hydrolyse verursacht mehr Probleme für meine Schüler als alle anderen. Oft ist dies das erste Mal, dass ein Schüler auf ein konkretes Beispiel für das Binden trifft (in einem Biologiekurs), und er geht so oft mit der falschen Vorstellung von den Prozessen des Bindens und Brechens der Bindung davon.
Brechen a Bindung setzt isoliert niemals Energie frei. Die Bindung ist im Vergleich zu den ungebundenen Spezies ein stabiler Zustand, bei dem entgegengesetzte Ladungen beim Binden näher beieinander liegen als bei ungebundenen und das gesamte System eine niedrigere (elektrische) potentielle Energie aufweist. Die bei der Hydrolyse von ATP aufgebrochene Bindung ist nicht anders. Es ist eine ziemlich schwache Bindung, erfordert jedoch immer noch das Aufbrechen von Energie.
Der Grund dafür, dass dabei Energie freigesetzt wird, liegt darin, dass die gebildeten Produkte (ADP und Hydrogenphosphat / Phosphat) stärkere kovalente Bindungen (plus intermolekular) aufweisen Kräfte mit der umgebenden Lösung und gelösten Ionen) als die Ausgangsmaterialien. Dies ist bei jedem exothermen Prozess der Fall. Wenn Sie die P-O-Bindung in ATP aufbrechen, wird eine neue P-O-Bindung im Hydrogenphosphat gebildet. Sie müssen jedoch auch die Wechselwirkungen der Ausgangsmaterialien im Vergleich zu den Produkten mit der Lösung untersuchen. Wir sollten auch beachten, dass das Wasser, das die Phosphatgruppe in der Hydrolysereaktion angreift, dann deprotoniert werden muss und das gebildete Hydrogenphosphation teilweise zum Phosphat dissoziiert, so dass „viel los ist!
Auch Es ist erwähnenswert, dass Menschen, die sagen, dass „Energie bei der ATP-Hydrolyse freigesetzt wird“, sich normalerweise auf Gibbs Free Energy beziehen, was auch den Beitrag der Systementropieänderung (mal Temperatur) sowie der Enthalpieänderung (bestimmt durch Bindung) umfasst und andere elektrostatische Wechselwirkungsstärke). Im Fall der ATP-Hydrolyse haben wir unter den meisten Bedingungen auch eine Erhöhung der Entropie des Systems und dies führt dazu, dass der Prozess noch exergonischer wird (günstig, kann verwendet werden, um andere Prozesse anzutreiben). als die Enthalpie allein vermuten lässt.
Bitte haben Sie Verständnis: Die Chemie, um die es hier geht, ist tatsächlich sehr komplex und die insgesamt nutzbare Energie, die zur Verfügung gestellt wird, hängt von vielen Faktoren ab, die über die Strukturen des Ausgangs m hinausgehen Materialien und die Produkte. Um die ATP-Hydrolyse wirklich zu verstehen, müssen alle Spezieskonzentrationen bekannt sein (da dies die treibende Kraft beeinflusst), einschließlich verschiedener gelöster ionischer Spezies, die normalerweise nicht in der einfachen Reaktionsgleichung enthalten sind.
Um Ihren letzten Teil zu beantworten, Die Bindungsbildung aus isolierten Spezies setzt immer Energie frei, da entgegengesetzte Ladungen näher zusammenrücken und die potentielle Energie abnimmt.