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에너지 흡수반응

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목차

1. 개요

에너지 흡수반응은 깁스 자유 에너지가 증가하여 자발적으로 일어나지 않는 화학 반응을 의미한다. 이러한 반응은 평형 상수가 1보다 작으며, 단백질 합성, 신경 전도, 근육 수축 등 생화학 및 생리학에서 흔히 나타난다. 에너지 흡수반응은 다른 에너지 방출반응에 의해 '당겨지거나' '밀어내져' 일어날 수 있으며, ATP의 가수분해와 같은 에너지 방출 반응과의 결합을 통해 생물학적 과정에서 중요한 역할을 한다. 에너지 흡수 반응의 예로는 물의 어는 현상, 물의 전기 분해, 광합성, 오존 형성 등이 있다.

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에너지 흡수반응

2. 평형 상수

평형 상수(''K'')는 다음 관계식에 의해 Δ''G''°와 관련된다.[1]

:K = e^{-\frac{\Delta G^\circ}{RT}}

여기서 ''T''는 절대 온도이고, ''R''은 기체 상수이다. Δ''G''°가 양수이면,[1]

:K < 1 \,

이 된다. 즉, 몰 농도 화학량론적 양에서 시작하는 경우 반응은 정반응이 아닌 역반응으로 진행되어 평형에 도달한다.[1]

그럼에도 불구하고 에너지 흡수반응은 생화학 및 생리학에서 매우 일반적이다. 예를 들어 단백질 합성, 신경 전도 및 근육 수축을 유도하는 Na+/K+ 펌프 등이 있다.[1]

3. 깁스 자유 에너지

화학 반응은 비자발적일 때 에너지 흡수반응이다. 이러한 유형의 반응에서는 깁스 자유 에너지가 증가한다. 엔트로피는 깁스 자유 에너지의 모든 변화에 포함된다. 에너지 흡수반응은 엔트로피가 포함되지 않은 흡열 반응과는 다르다. 깁스 자유 에너지는 깁스-헬름홀츠 방정식으로 계산된다.

:\Delta G = \Delta H- T \cdot \Delta S

여기서


  • ''T'' = 켈빈(K) 단위의 온도
  • Δ''G'' = 깁스 자유 에너지의 변화
  • Δ''S'' = 298 K에서 엔트로피의 변화 (\Delta S = \sum S(\text{생성물}) - \sum S(\text{반응물}))
  • Δ''H'' = 298 K에서 엔탈피의 변화 (\Delta H = \sum H(\text{생성물}) - \sum H(\text{반응물}))


화학 반응은 깁스 자유 에너지가 증가할 때 비자발적으로 진행되며, 이 경우에 \Delta G는 양수이다. 에너지 방출반응에서 \Delta G는 음수이고, 에너지 흡수반응에서 \Delta G는 양수이다.

:\Delta_\mathrm{R} G < 0 : 에너지 방출반응

:\Delta_\mathrm{R} G > 0 : 에너지 흡수반응

여기서 \Delta_\mathrm{R} G 는 화학 반응 완료 후의 깁스 자유 에너지 변화와 같다.

반응에 대한 평형 상수는 다음 관계식에 의해 Δ''G''°와 관련된다.

:K = e^{-\frac{\Delta G^\circ}{RT}}

여기서 ''T''는 절대 온도이고, ''R''은 기체 상수이다. 따라서 Δ''G''°의 양수 값은

:K < 1 \,

을 의미하며, 몰 농도 화학량론적 양에서 시작할 경우 이러한 반응은 앞으로 진행되지 않고 평형을 향해 뒤로 이동한다.

그럼에도 불구하고, 에너지 흡수반응은 특히 생화학 및 생리학에서 자연계에서 매우 흔하다. 세포 내 에너지 흡수반응의 예로는 단백질 합성, Na+/K+ 펌프가 있으며, 이는 신경 전도 및 근육 수축을 구동한다.[1]

4. 에너지 흡수 반응을 가능하게 하는 방법

에너지 흡수 반응은 에너지 방출 반응(안정성 증가, 자유 에너지의 음의 변화)에 의해 당겨지거나 밀려질 경우 달성될 수 있다. 물론 모든 경우에 전체 시스템의 순반응(연구 중인 반응에 끌어당기거나 밀어내는 반응을 더한 것)은 에너지 방출 반응이다.[1]

4. 1. 당김 (Pull)

에너지 흡수반응은 에너지 방출반응(안정성 증가, 자유 에너지의 음의 변화)에 의해 당겨지거나 밀릴 경우 달성될 수 있다. 물론 모든 경우에 전체 시스템의 순반응(연구 중인 반응에 끌어당기거나 밀어내는 반응을 더한 것)은 에너지 방출반응이다.[1]

반응의 생성물이 후속적인 에너지 방출반응에 의해 빠르게 제거되는 경우 시약은 에너지 흡수반응에 의해 당겨질 수 있다. 따라서 에너지 방출반응의 생성물의 농도는 항상 낮게 유지되므로 반응이 진행될 수 있다.[1]

이것의 전형적인 예로는 전이 상태를 통해 진행되는 반응의 첫 번째 단계가 있다. 전이 상태에 대한 활성화 에너지 장벽의 꼭대기에 도달하는 과정은 에너지 흡수적이다. 그러나 전이 상태에 도달했기 때문에 반응이 진행될 수 있으며, 에너지 방출 과정을 거쳐 보다 안정적인 최종 생성물로 빠르게 전환된다.[1]

4. 2. 밀어냄 (Push)

에너지 흡수 반응은 공유된 중간체를 통해 다른 강한 발열 반응과 결합하여 '밀어낼' 수 있다.

이것은 종종 생물학적 반응이 진행되는 방식이다. 예를 들어, 다음의 반응식은

: X + Y → XY

반응 자체는 일어나기에 너무 에너지 흡수적일 수 있다. 그러나, 종종 ATP를 ADP와 무기 인산 이온으로 분해하는 것과 같이 강한 발열 반응(ATP → ADP + Pi)에 결합하여 반응을 일어나게 할 수 있다.

: X + ''ATP'' → ''XP'' + ''ADP''

: ''XP'' + Y → ''XY'' + Pi

ATP 분해가 에너지 흡수 반응을 일으키는 데 필요한 자유 에너지를 공급하는 이러한 종류의 반응은 세포 생화학에서 매우 흔하며, ATP는 종종 모든 생물의 "보편적인 에너지 통화"라고 불린다.

5. 에너지 흡수 반응의 예

에너지 흡수 반응은 자체적으로 일어나지 않는 모든 과정을 포함하며, "일어나기를 원하지 않는다"라고 말할 수 있다. 쉽게 시각화할 수 있는 예로, 책상 구석에 쌓여 있는 엄청난 양의 서류 더미를 들 수 있다. 보다 과학적인 예로는 완전히 평평한 표면에서 앞으로 나아가는 자동차가 있다. 외부 투입 없이는 자연적으로 완료되지 않는 모든 화학적 과정은 에너지 흡수 반응을 구현한다. 이러한 외부 투입은 화학적 촉매가 하나로 간주되기 때문에 항상 물리적이거나 가시적일 필요는 없으며, 반응이 일어나기 위해 촉매가 필요한 경우, 이는 에너지 흡수 반응이다.[2]

다음은 에너지 흡수 반응의 몇 가지 과학적 예이다.[2]


  • 실온에서 물이 어는 것 (실온보다 낮아야 함)
  • 물이 기체 상태의 수소와 산소로 분해(전기분해)되는 것 (추가적인 전류가 필요함)
  • 광합성 (태양 에너지가 필요함)
  • 산소로부터 오존(O3)의 형성 (태양의 자외선이 필요함)

참조

[1] 서적 アトキンス物理化学 東京化学同人
[2] 웹인용 Spontaneous and Non-spontaneous Reaction: Definition and Examples https://www.chemistr[...] 2022-06-28


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