बायोफिजिकल केमिस्ट्री: बायोफिजिकल कैमिस्ट्री के सिद्धांतों पर संक्षिप्त नोट्स
बायोफिजिकल केमिस्ट्री के सिद्धांतों पर संक्षिप्त नोट्स!
पीएच स्केल:
सोरेंसन (1909) ने H + आयनों की सांद्रता को व्यक्त करने का एक सुविधाजनक साधन पेश किया। इसे हाइड्रोजन एक्सपोनेंट या पीएच स्केल या पीएच वैल्यू बस पीएच कहा जाता है।
इस पैमाने पर H + आयन सांद्रता को शक्ति के रूप में लिखा जाता है। इस प्रकार, पीएच बेस दस के रूप में व्यक्त बेस दस के लिए हाइड्रोजन आयनों का ऋणात्मक लघुगणक है।
pH = -log 10 [H + ]
उदाहरण के लिए यदि किसी घोल में H + की एकाग्रता 10 -5 ग्राम मोल / लीटर है तो उसका लघुगणक -5 होगा और उसका ऋणात्मक लघुगणक होगा 5. परिभाषा के अनुसार पीएच, इसलिए 5 होगा।
एकमात्र कारण, एच + एकाग्रता की प्रत्यक्ष अभिव्यक्ति के बजाय एक पीएच पैमाने का उपयोग क्यों किया जाता है, क्योंकि यह अधिक व्यापक है। हालांकि, इस प्रणाली का मुख्य दोष यह है कि [एच + ] दस गुना बदल सकता है, जबकि यह पीएच पैमाने पर केवल एक इकाई के परिवर्तन का उत्पादन करता है। यह परिवर्तन को स्पष्ट रूप से कम प्रभावशाली बनाता है।
इसी तरह, pOH = - लॉग 10 [OH - ]
पीएच + पीओएच = 14
चूंकि शुद्ध शुद्ध पानी {एच + ] = {ओएच] = 10 -7 है, इसलिए शुद्ध पानी तटस्थ है।
चूंकि हाइड्रोजन आयन अम्लीय गुण प्रदान करते हैं और पीएच मान को हल करने के लिए हाइड्रॉक्सिल आयन क्षारीय गुण एसिड की एक अभिव्यक्ति है और समाधान की क्षारीयता है। कमरे के तापमान पर शुद्ध पानी का पीएच 7 है और इस पीएच में एच + और ओएच की सांद्रता बराबर है, इसलिए शुद्ध पानी तटस्थ है। जब पीएच 7 से नीचे है, तो समाधान अम्लीय है और जब यह 7 से ऊपर है तो यह क्षारीय है।
बफ़र:
कई जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं में, जब एसिड और क्षार की छोटी मात्रा को इसमें जोड़ा जाता है, तब भी समाधान के पीएच को स्थिर रखना आवश्यक है। ऐसे समाधान जो पीएच में परिवर्तन को कमजोर पड़ने से या एसिड और क्षार की थोड़ी मात्रा के अलावा बफर कह सकते हैं।
सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला बफ़र कमजोर एसिड और उनके लवणों का मिश्रण होता है। बफर फ़ंक्शन के तंत्र को एसिटिक एसिड और सोडियम एसीटेट से बने बफर के उदाहरण से समझा जा सकता है। ये दोनों निम्नलिखित तरीके से अलग हो जाते हैं।
CH 3 COOH CH 3 COOO - + H +
सीएच 3 कूना सीएच 3 सीओओ - + ना +
यदि एक एसिड उदाहरण के लिए, एचसी 1 को इस मिश्रण में जोड़ा जाता है, तो एसिड से हाइड्रोजन आयन सोडियम एसिटेट के साथ एसिटिक एसिड बनाते हैं।
सीएच 3 कूना + एचसीआई सीएच 3 कूह + NaC1
यदि एक आधार उदा, NaOH जोड़ा जाता है तो यह सोडियम एसीटेट बनाने के लिए एसिटिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया करता है।
सीएच 3 कोह + नाओएच सीएच 3 कूना + एच 2 ओ
इस प्रकार अम्ल या क्षार के अतिरिक्त एक बफर के नमक-अम्ल अनुपात में परिवर्तन होता है। एसिड या बेस के अतिरिक्त पीएच के एक बहुत कम परिवर्तन को लाते हैं।
मान लीजिए कि एसिटिक एसिड और सोडियम की एक बफर में नमक और एसिड की दाढ़ की एकाग्रता बराबर है, तो
पीएच = पीके ए (हेंडरसन-हैसेलबच समीकरण), पीके एक एसिटिक एसिड के लिए 4.73: इसलिए पीएच 4.73। अब, यदि इस बफर में एसिटिक एसिड की समान मात्रा डाली जाती है, तो 'नमक-एसिड अनुपात बदल जाता है
या पीएच = पीके ए + लॉग एल / 2
पीएच = पीके ए + लॉग 0.5
या पीएच = 4.73 + (-0.3)
इसलिए पीएच = 4.43
इस प्रकार केवल 0.3 पीएच इकाइयों का परिवर्तन लाया जाता है जब एसिड की मात्रा दोगुनी हो जाती है। इस प्रकार, पीके के दोनों ओर एक पीएच इकाई के लिए एक बफर कुशलता से काम कर सकता है जैसे, एसिटिक एसिड का एक बफर, पीएच 3.73 से 5.73 तक कुशल होगा। यही कारण है कि अलग-अलग एसिड को अलग-अलग बफर रेंज के लिए नियोजित करना पड़ता है।
प्रतिरोधक क्षमता:
यद्यपि एक बफर का पीएच नमक-एसिड अनुपात, (हेंडरसन-हसबेल्च समीकरण) पर निर्भर करता है, पीएच में परिवर्तन का विरोध करने की इसकी क्षमता नमक और एसिड की पूर्ण मात्रा पर निर्भर करती है। वैन स्लीके के अनुसार बफर की बफरिंग क्षमता 1 है, अगर इसे 1 पीएच इकाई के परिवर्तन को लाने के लिए 1 ग्राम समकक्ष (1000 मिलीलीटर इन) एसिड या क्षार की आवश्यकता होती है।
शरीर के बफरिंग तंत्र:
शरीर में बफरिंग दो स्तरों पर की जाती है: (1) कोशिकाओं के भीतर बफरिंग (2) कोशिकाओं के बाहर बफरिंग।
(1) कोशिकाओं के भीतर बफरिंग:
सेल में कई बफरिंग सिस्टम होते हैं जो कार्बनिक अम्ल, फैटी एसिड, अमीनो एसिड और इन सभी के लवण से बने होते हैं। फॉस्फोरिक एसिड और इसके लवण कोशिका के महत्वपूर्ण बफर हैं।
सेल में शामिल सटीक बफरिंग तंत्र को निर्धारित करना मुश्किल है क्योंकि सेल ऑर्गेनेल का एक विषम विधानसभा है, जिसमें उनके स्वयं के एंजाइम और बफर सिस्टम होते हैं। इंट्रासेल्युलर तरल पदार्थों के बफरिंग तंत्र पर बहुत कम काम किया गया है। हालांकि, ऐसा प्रतीत होता है कि फॉस्फेट कोशिकाओं के भीतर सबसे महत्वपूर्ण बफरिंग प्रणाली बनाते हैं।
(2) कोशिकाओं के बाहर बफरिंग:
शरीर की अलग-अलग कोशिकाएँ लिम्फ नामक अतिरिक्त कोशिकीय तरल पदार्थ से घिरी होती हैं, जो लसीका वाहिकाओं से होकर बहती है। लिम्फ रक्त का एक अति छानना है और इसकी संरचना पूर्व की तरह ही है।
लसीका का पीएच भी रक्त के बहुत करीब है। इंट्रासेल्युलर तरल पदार्थ के एक निरंतर पीएच को बनाए रखने के लिए और जिससे पूरे शरीर में रक्त (प्लाज्मा) का पीएच बहुत सटीक रूप से बनाए रखा जाता है, आदमी का हाय मामला, उदाहरण के लिए, शक्तिशाली तंत्र द्वारा प्लाज्मा का पीएच 7.4 के आसपास सटीक रूप से बनाए रखा जाता है।
प्लाज्मा पीएच में भी छोटे परिवर्तन बहुत गंभीर हैं और मृत्यु का कारण बन सकते हैं। प्लाज्मा पीएच में छोटे परिवर्तनों के लिए शरीर की संवेदनशीलता इतनी बड़ी है कि 7 का पीएच प्लाज्मा (एसिडोसिस) की अम्लता का कारण बनता है और 7.6 के पीएच प्लाज्मा (क्षारमयता) के क्षारीयता का कारण बनता है जो दोनों घातक हो सकते हैं। हालांकि, यह स्पष्ट है कि एसिडोसिस में भी रक्त वास्तव में अम्लीय नहीं हो सकता है।
(ए) रक्त के बफर:
मध्यस्थ चयापचय के दौरान बड़ी संख्या में एसिड का उत्पादन होता है। ये रक्त के पीएच को कम करते हैं। उत्पादित सभी एसिड में से, सीओ 2 (कार्बोनिक एसिड) सबसे महत्वपूर्ण है क्योंकि यह ऊर्जा उत्पादन प्रतिक्रियाओं का अंतिम उत्पाद है। यह बड़ी मात्रा में उत्पादित होता है और रक्त के पीएच को बनाए रखने के लिए इसे लगातार हटाया या बेअसर किया जाता है।
RBC में मौजूद हीमोग्लोबिन (HHb) कमजोर अम्लीय होता है। यह आधारों के साथ प्रतिक्रिया करता है, ज्यादातर पोटेशियम आधार; नमक बनाने के लिए आरबीसी में मौजूद है। इन लवणों को पोटेशियम हेमोग्लोबिनेट्स (केएचबी) कहा जाता है। इस प्रकार केएचबी / एचएचबी का एक बफर सिस्टम बनता है।
एरिथ्रोसाइट (आरबीसी) झिल्ली अर्धविराम है। यह CO, H + और आयनों जैसे HCO 3 -, CI ”आदि के लिए पारगम्य है, लेकिन Na +, K + और Ca ++ जैसे उद्धरणों के लिए अभेद्य है। चयापचय के दौरान उत्पादित सीओ 2 एरिथ्रोसाइट्स में प्रवेश करता है। आरबीसी में मौजूद एक एंजाइम कार्बोनिक एनहाइड्रेज की उपस्थिति में, सीओ 2 कार्बोनिक एसिड बनाने के लिए पानी के साथ मिलाता है।
H 2 CO 3 HHb की तुलना में अधिक मजबूत एसिड है। इसलिए यह KHCO के साथ KHCO 3 और HHb बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता है।
एच 2 सीओ 3 + केएचबी केएचसीओ 3 + एचएचबी
इस प्रकार गठित KHCO 3, निम्नलिखित तरीके से अलग हो जाता है:
केएचसीओ 3 आर + + एचसीओ 3 -
HCO 3 - चार्ज K + को पीछे छोड़ते हुए प्लाज्मा में प्रवेश करता है। विद्युत तटस्थता सीआई "आयनों को बनाए रखने के लिए जो NaCl के पृथक्करण के कारण बनते हैं, Na + को पीछे छोड़ते हुए एरिथ्रोसाइट्स में प्रवेश करते हैं (क्योंकि एरिथ्रोसाइट झिल्ली Na + के लिए अभेद्य है)। इस प्रकार प्लाज्मा की तुलना में एरिथ्रोसाइट में 1.5% अधिक क्लोराइड आयन होते हैं।
प्लाज्मा में HCO 3 - CI के साथ Na + को पीछे छोड़ता है।
Na + + HCO 3 - -> NaHCO 3
NaHCO 3 का स्तर रक्त में बढ़ जाता है और यह रक्त पीएच को बढ़ा देता है। इस पूरे तंत्र को क्लोराइड शिफ्ट कहा जाता है और 1918 में हैमबर्गर द्वारा खोजा गया था। इस प्रकार यह स्पष्ट है कि CO 2 (या उस मामले H 2 CO 3 ) के उत्पादन के जवाब में NaHCO- का निरंतर उत्पादन होता है, ताकि NaHCO 3 / H 2 CO 3 का बफर बना हुआ है। रक्त में बिकारबोनिट को शरीर के क्षार भंडार कहा जाता है।
(बी) फेफड़ों में सीओ 2 का निष्कासन:
रक्त में बनने वाले बाइकार्बोनेट इसमें मौजूद एसिड के साथ कार्य करते हैं।
हा + नाहको 3 नाए + एच 2 सीओ 3
फेफड़े में कार्बोनिक एनहाइड्रेज एक रिवर्स तरीके से कार्य करता है
इस प्रकार गठित सीओ 2 को साँस छोड़ते हुए फेफड़ों के माध्यम से बाहर निकाल दिया जाता है। इसके कारण एरिथ्रोसाइट्स में HC0 3 ”का स्तर गिर जाता है और HCO 3 - प्लाज्मा से कोशिका में गुजरता है। फिर से विद्युत तटस्थता सीआई बनाए रखने के लिए - जो कोशिका में प्रवेश करती है, प्लाज्मा में वापस जाती है। प्लाज्मा का NaHC0 3 कम हो जाता है और NaCl बढ़ जाता है।
(c) किडनी के माध्यम से अम्लों का उत्सर्जन:
रक्त हमेशा क्षारीय (पीएच 7.4) और मूत्र हमेशा अम्लीय (पीएच 5 से 6) होता है। ऐसा प्रतीत होता है कि रक्त से एसिड निकालने से मूत्र अपनी अम्लता को बनाए रखता है जबकि रक्त अपनी क्षारीयता को बनाए रखता है। हाइड्रोजन आयनों को वृक्क नलिका के समीपस्थ नलिका में लिया जाता है।
इससे इलेक्ट्रोलाइट संतुलन बिगड़ जाता है और बदले में Na + नलिकाओं से बाहर निकल जाता है और समीपस्थ नलिका की कोशिकाओं के माध्यम से रक्त में प्रवेश करता है। रक्त में Na + HCO 3 के साथ मिलकर NaHCO 3 बनाता है। इस प्रकार गठित NaHC0 3 शरीर के क्षार भंडार में जोड़ता है।
हाइड्रोजन आयन जो ट्यूब्यूल में प्रवेश करते हैं, कार्बोनिक एसिड बनाने के लिए बाइकार्बोनेट आयनों के साथ गठबंधन करते हैं। यह निम्नलिखित में से एक है:
(1) यह फॉस्फेट्स के साथ जोड़ती है,
HPO 4 - + H 2 CO 3 HaPO 2 - + HCO 3 -
फॉस्फेट मूत्र के साथ उत्सर्जित होते हैं और बाइकार्बोनेट रक्त में वापस जाते हैं। केवल बहुत कम मात्रा में बाइकार्बोनेट का उत्सर्जन होता है; एसिडोसिस के दौरान भी यह कम हो जाता है।
(२) हाइड्रोजन आयनों का एक भाग अमोनिया के साथ संयोजित होता है जो लगातार नलिकाओं द्वारा स्रावित होता है और निम्नलिखित बफर सिस्टम बनाता है।
पीएच = पीके ए + लॉग एनएच 3 / एनएच 4
कई श्रमिकों द्वारा यह देखा गया है कि एनएच 3 का स्राव रक्त की बढ़ती अम्लता के साथ बढ़ता है।
रासायनिक गतिकी:
भौतिक रसायन विज्ञान की वह शाखा जिसमें हम अभिक्रिया की प्रतिक्रिया और तंत्र की दर को रासायनिक कैनेटीक्स कहते हैं।
प्रतिक्रिया की दर:
प्रतिक्रिया की दर को "समय के साथ अभिकारकों की एकाग्रता के परिवर्तन की दर" के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। दूसरे शब्दों में, इसे इकाई समय में बदले इकाई मात्रा में पदार्थ की मात्रा और मोल में मापा जाता है। । इस प्रकार,
प्रतिक्रिया की दर = राशि का रूपांतरण / परिवर्तन में लगने वाला समय
= डीएक्स / डीटी
जहाँ dx पदार्थ की मात्रा को परिवर्तित करता है और dt समय का बहुत छोटा अंतराल है। नकारात्मक संकेत इंगित करता है कि प्रतिक्रिया का वेग समय के साथ घटता जाता है। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि प्रतिक्रिया की दर को मापने में यांत्रिक वेग या गति की अवधारणा का उपयोग नहीं किया जा सकता है। क्योंकि प्रतिक्रिया की दर अभिकारक के दाढ़ सांद्रता पर निर्भर करती है और यह समय के साथ घट जाती है, इसलिए प्रतिक्रिया की दर समय के साथ बदलती रहती है।
प्रतिक्रिया की दर को प्रभावित करने वाले कारक:
1. एकाग्रता का प्रभाव:
एकाग्रता में कमी के साथ एक प्रतिक्रिया की दर घट जाती है।
2. तापमान का प्रभाव:
यह देखा गया है कि तापमान में वृद्धि के साथ प्रतिक्रिया की दर बढ़ती है। सामान्य तौर पर, एक प्रतिक्रिया की दर 10 डिग्री सेल्सियस (आमतौर पर 25-35 डिग्री सेल्सियस) की वृद्धि पर दोगुनी हो जाती है।
3. अभिकारक की प्रकृति का प्रभाव:
यह देखा गया है कि प्रतिक्रियाओं में साधारण आयन शामिल होते हैं; प्रतिक्रियाओं की तुलना में तेजी से जगह लेते हैं जिसमें काफी बंधन के आयन शामिल होते हैं। उदाहरण के लिए, अम्लीय माध्यम में परमैंगनेट आयन (Mn0 4 - आयन) द्वारा Fe 2+ आयन का ऑक्सीकरण समान परिस्थितियों में C 2 O 4 2- आयन के ऑक्सीकरण की तुलना में तेजी से होता है।
4. उत्प्रेरक का प्रभाव:
सामान्य उत्प्रेरक में प्रतिक्रिया की दर बढ़ जाती है।
5. अभिकारकों के भूतल क्षेत्र का प्रभाव:
यह देखा गया है कि छोटे कण समान द्रव्यमान के बड़े कणों की तुलना में अधिक तेजी से प्रतिक्रिया करते हैं। उदाहरण के लिए कोयले की बड़ी कोयले की तुलना में कोयले की धूल तेजी से जलती है।
6. विकिरण का प्रभाव:
कुछ विकिरणों के फोटॉन के अवशोषण से कुछ प्रतिक्रियाओं की दर बढ़ जाती है। इस तरह की प्रतिक्रियाओं को फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाओं के रूप में जाना जाता है।
दर लगातार:
टक्कर सिद्धांत के अनुसार, प्रतिक्रिया की दर प्रति सेकंड होने वाली आणविक टक्करों की संख्या के लिए आनुपातिक है। इस प्रकार, टकराव की प्रतिक्रियाशील संख्या की एकाग्रता बढ़ने पर, इसलिए प्रतिक्रिया की दर बढ़ जाती है।
इस प्रकार, एक सामान्य प्रतिक्रिया के लिए
एक → उत्पाद
r = dx / dT = -dC A / dt kC A
जहाँ r = प्रतिक्रिया की दर, C A = अभिकारक A की एकाग्रता और k = दर स्थिर है।
यदि C A = 1 है, तो r = k
हम कह सकते हैं कि किसी दिए गए तापमान पर, दर अभिक्रिया की दर स्थिर होने के बराबर होती है जब अभिकारक की सांद्रता एकता होती है। इस प्रकार दर स्थिरांक को विशिष्ट प्रतिक्रिया दर के रूप में जाना जाता है।
दो अभिकारकों के मामले में, प्रतिक्रिया के रूप में लिखा जा सकता है;
A + B → उत्पाद
r = dx / dT = kC A C B
जहाँ सभी शब्दों का सामान्य अर्थ होता है
यदि C A = C B = 1 है, तो r = k
इस प्रकार दर स्थिर प्रतिक्रिया की दर के बराबर होती है जब प्रत्येक अभिकारकों की एकाग्रता एकता होती है।
प्रतिक्रिया का क्रम:
रासायनिक प्रतिक्रियाओं को अणुओं की संख्या के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है जो अंततः प्रतिक्रिया उत्पादों को बनाने के लिए प्रतिक्रिया करना चाहिए। इस प्रकार हमारे पास मोनोमोलेक्यूलर, बाइमोलेकुलर है; और आण्विक प्रतिक्रियाएं, जिसमें एक, दो या तीन अणु, क्रमशः प्रतिक्रिया से गुजरते हैं।
रासायनिक प्रतिक्रियाओं को प्रतिक्रिया क्रम द्वारा शून्य-क्रम, पहले- क्रम, दूसरे क्रम और तीसरे क्रम की प्रतिक्रियाओं के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि किसी निर्धारित स्थिति के तहत प्रतिक्रियाकर्ताओं की एकाग्रता से प्रतिक्रिया दर कैसे प्रभावित होती है।
1. शून्य आदेश प्रतिक्रियाएं:
यदि प्रतिक्रिया की दर अभिकारक की एकाग्रता से स्वतंत्र है तो प्रतिक्रिया को शून्य क्रम प्रतिक्रिया कहा जाता है। उदाहरण के लिए
ए -> उत्पाद
r = - dC o A / dt = k
यदि एक = प्रारंभिक एकाग्रता, x = राशि समय 'टी' में विघटित हो जाती है
k a- (a- x) / t = x / t
2. प्रथम आदेश प्रतिक्रियाएं:
यदि किसी अभिक्रिया की दर केवल एक अभिकारक की सांद्रता शब्द की भिन्नता से निर्धारित होती है तो प्रतिक्रिया को प्रथम क्रम प्रतिक्रिया कहते हैं। उदाहरण के लिए,
एक → उत्पाद
r = dC A / dt = kC A
-dC A / C A = kdt
प्रथम-क्रम दर समीकरण का एकीकृत रूप है:
k = 2.303 / t लॉग C 0 / C
जहां C 0 और C प्रारंभिक समय (जैसे, t = 0) और किसी भी बाद के समय में क्रमशः एकाग्रता होते हैं। यदि अभिकारक की प्रारंभिक सांद्रता 'a' मोल L -1 है और समय t के बाद, 'x' मोल L -1 ने उत्पाद देने के लिए प्रतिक्रिया की है, तो समय टी के पीछे बचे अभिकारक की एकाग्रता होगी (कुल्हाड़ी) ) मोल्स एल -1 । तब पहले क्रम दर समीकरण के रूप में दिया जा सकता है
k = 2.303 / t लॉग इन a / ax
पहले आदेश की प्रतिक्रिया में, प्रतिक्रिया का आधा समय t the द्वारा दिया जाता है:
t 0.693 / k
यहां, आधा समय सब्सट्रेट की प्रारंभिक एकाग्रता से स्वतंत्र है, t defined को उस समय के रूप में परिभाषित किया गया है, जिसके दौरान किसी दिए गए अभिकारकों की आधी एकाग्रता प्रतिक्रिया करती है।
पहले क्रम दर स्थिरांक में पारस्परिक समय के आयाम होते हैं, आमतौर पर सेकंड -1
3. दूसरा आदेश प्रतिक्रियाओं:
एक प्रतिक्रिया को दूसरे क्रम का कहा जाता है यदि इसकी दर दो एकाग्रता शब्दों की भिन्नता से निर्धारित होती है या प्रतिक्रिया की दर एक पदार्थ की एकाग्रता की दूसरी शक्ति के लिए आनुपातिक होती है।
सामान्य तौर पर, दूसरे क्रम की प्रतिक्रियाएं दो प्रकार की हो सकती हैं।
1. जब अभिकारकों की सांद्रता समान हो अर्थात
A + A -> उत्पाद
चलो 'ए' प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए प्रत्येक अभिकर्मकों की प्रारंभिक एकाग्रता है और x समय, टी के बाद विघटित प्रत्येक अभिकारक की मात्रा है।
2A -> उत्पाद
एओ (प्रारंभिक एकाग्रता)
(ax) x (समय टी के बाद एकाग्रता)।
प्रतिक्रिया की दर dx द्वारा दर्शाई जा सकती है
dx / (ax) 2 = k.dt
क्रमशः ओ से एक्स तक की सीमाओं के भीतर एकीकरण पर क्रमशः ओ, टी
k = 1 / txx / a (कुल्हाड़ी)
2. जब अभिकारकों की सांद्रता अलग हो, अर्थात
A + B -> उत्पाद
अबो (प्रारंभिक एकाग्रता)
(कुल्हाड़ी) (बीएक्स) एक्स (समय टी के बाद एकाग्रता)
प्रतिक्रिया की दर dx के रूप में व्यक्त की जाएगी
dx / dt = k (ax) (bx),
dx / (a - x) (b - x) = k.dt
क्रमशः ओ से एक्स तक की सीमाओं के भीतर एकीकरण पर क्रमशः ओ से टी।
k = 2.303 / 1 (a - b) log10 (ax) b / (bx) a
दूसरे क्रम प्रतिक्रियाओं के दर स्थिरांक में आयाम 1 / एकाग्रता x समय या moL -1 सेकंड -1 है ।
4. तीसरा आदेश प्रतिक्रियाओं:
यदि तीन सांद्रता शब्दों की भिन्नता से दर निर्धारित की जाती है तो एक प्रतिक्रिया तीसरे क्रम की होती है। दूसरे शब्दों में, प्रतिक्रिया करने के लिए आवश्यक अणुओं की न्यूनतम संख्या तीन है। तीसरे क्रम की प्रतिक्रिया में तीन अलग-अलग मामले हो सकते हैं।
1. तीनों प्रजातियों में समान सांद्रता होती है
A + A + A-> पी
एक सामान्य प्रतिक्रिया पर विचार करें जिसमें ए की तीन मोल शामिल हैं, प्रत्येक की एकाग्रता 'ए' मोल्स प्रति लीटर है। समय टी (कुल्हाड़ी) पर एकाग्रता चलो तब प्रतिक्रिया की दर द्वारा दिया जाता है
dx / dt = k (a - x) 3 dt
समीकरण का एकीकृत रूप है
K = 1 / tx (2a - x) / 2a 2 (a - x)
2. जब दो अभिकारकों की सांद्रता असमान हो और अलग हो
2A + B -> उत्पाद
की दर से प्रतिक्रिया दी जाती है। dx / dt = k (a - 2x) 2 (b - x)।
K के मूल्यों को जानने के लिए, समीकरण के ऊपर एकीकरण, हम प्राप्त करते हैं
k = 1 / t 1 / (a-2b) 2 [2x (2 ba) / a (a- 2x) + loge (b (a-2x) / a (bx)]
तीसरे क्रम की प्रतिक्रियाओं की दर स्थिरांक का आयाम एमओएल -2 एल 2 सेकंड -1 है।
ऊष्मप्रवैगिकी:
थर्मोडायनामिक्स विज्ञान की एक शाखा है जो भौतिक और रासायनिक परिवर्तन के साथ ऊर्जा परिवर्तनों से संबंधित है। इसका संबंध किसी निकाय की कुल ऊर्जा से नहीं है, बल्कि किसी परिवर्तन या किसी परिवर्तन के साथ होने वाले ऊर्जा परिवर्तन से है। चूंकि ऊष्मप्रवैगिकी ऊर्जा से संबंधित है, यह प्रकृति के सभी घटनाओं पर लागू होती है।
ऊष्मागतिकी की शब्दावली:
1. प्रणाली, सीमा और परिवेश:
एक थर्मोडायनामिक प्रणाली को ब्रह्मांड के किसी भी निर्दिष्ट हिस्से के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो अध्ययन के अधीन है। एक प्रणाली में एक या अधिक पदार्थ शामिल हो सकते हैं।
बाकी ब्रह्मांड जो सिस्टम के साथ ऊर्जा और पदार्थ का आदान-प्रदान करने की स्थिति में हो सकता है, परिवेश कहलाता है। इस प्रकार प्रणाली को एक सीमा से परिवेश से अलग किया जाता है जो वास्तविक या काल्पनिक हो सकता है।
अलग निकाय:
एक प्रणाली न तो ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती है और न ही इसके आसपास के पदार्थ को एक पृथक प्रणाली कहा जाता है।
बंद प्रणाली:
एक प्रणाली जो ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती है लेकिन अपने परिवेश के साथ कोई फर्क नहीं पड़ता है इसे एक बंद प्रणाली कहा जाता है।
खुली प्रणाली:
एक प्रणाली जो पदार्थ के साथ-साथ अपने परिवेश के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती है, एक खुली प्रणाली है।
जीवित जीवों का वातावरण उनके लिए नितांत आवश्यक है, न केवल मुक्त ऊर्जा के स्रोत के रूप में, बल्कि कच्चे माल के स्रोत के रूप में भी। ऊष्मप्रवैगिकी की भाषा में, जीवित जीव खुले तंत्र हैं क्योंकि वे अपने पर्यावरण के साथ ऊर्जा और पदार्थ दोनों का आदान-प्रदान करते हैं और इसलिए, ऐसा करते हुए, इसे रूपांतरित करते हैं। यह खुली प्रणालियों की विशेषता है कि वे अपने पर्यावरण के साथ संतुलन में नहीं हैं।
यद्यपि जीवित जीव संतुलन में प्रतीत हो सकते हैं, क्योंकि वे समय-समय पर निरीक्षण करते हुए दृष्टिगोचर नहीं हो सकते हैं, वास्तव में वे आम तौर पर एक स्थिर स्थिति में मौजूद होते हैं, एक खुली प्रणाली की वह स्थिति जिसमें पदार्थ और स्थानांतरण की दर प्रणाली में पर्यावरण से ऊर्जा बिल्कुल पदार्थ के हस्तांतरण की दर और सिस्टम से बाहर ऊर्जा द्वारा संतुलित है।
मैक्रोस्कोपिक गुण:
मैक्रोस्कोपिक सिस्टम से जुड़े गुण (यानी, बड़ी संख्या में कणों से मिलकर) मैक्रोस्कोपिक गुण कहलाते हैं। ये गुण दबाव, आयतन, तापमान, रचना, घनत्व, चिपचिपाहट, सतह तनाव, अपवर्तक सूचकांक, रंग, आदि हैं।
सजातीय और विषम प्रणाली:
एक प्रणाली को सजातीय कहा जाता है जब यह पूरी तरह से समान है, उदाहरण के लिए, एक शुद्ध ठोस या सभी तरल या एक समाधान या गैसों का मिश्रण। दूसरे शब्दों में, एक सजातीय प्रणाली में केवल एक चरण होता है।
एक चरण को एक प्रणाली के एक सजातीय और शारीरिक रूप से अलग भाग के रूप में परिभाषित किया गया है जो एक सतह से घिरा हुआ है और तंत्र के अन्य भागों से यंत्रवत रूप से अलग है।
एक प्रणाली को विषम तब कहा जाता है जब यह एक समान नहीं होती है। दूसरे शब्दों में, एक विषम प्रणाली वह है जिसमें दो या दो से अधिक चरण होते हैं। इस प्रकार, एक प्रणाली जिसमें दो या अधिक अनम्य तरल पदार्थ होते हैं, या एक तरल के संपर्क में एक ठोस जिसमें यह भंग नहीं होता है, एक विषम प्रणाली है।
एक प्रणाली की स्थिति:
जब किसी सिस्टम के मैक्रोस्कोपिक गुणों के निश्चित मूल्य होते हैं, तो सिस्टम को एक निश्चित स्थिति में कहा जाता है। जब भी मैक्रोस्कोपिक गुणों में से किसी एक में परिवर्तन होता है, तो सिस्टम को एक अलग स्थिति में बदलने के लिए कहा जाता है। इस प्रकार, एक प्रणाली की स्थिति इसके मैक्रोस्कोपिक गुणों से तय होती है।
थर्मोडायनामिक संतुलन:
एक प्रणाली जिसमें स्थूल गुणों को समय के साथ किसी भी परिवर्तन से गुजरना नहीं होता है, उसे तब के निस्संतान संतुलन में कहा जाता है, मान लीजिए कि एक प्रणाली विषम है, यानी इसमें एक से अधिक चरण शामिल हैं। फिर, यदि यह संतुलन में है, तो विभिन्न चरणों में स्थूलदर्शी गुण समय के साथ अप्रभावित रहते हैं।
वास्तव में, थर्मोडायनामिक संतुलन शब्द का अर्थ सिस्टम में तीन प्रकार के संतुलन के अस्तित्व से है। ये (i) थर्मल संतुलन (ii) मैकेनिकल संतुलन और (iii) रासायनिक संतुलन हैं।
सिस्टम के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में गर्मी का प्रवाह न होने पर एक प्रणाली को थर्मल संतुलन में कहा जाता है। यह संभव है यदि सिस्टम के सभी हिस्सों में तापमान समान रहता है।
एक प्रणाली को यांत्रिक संतुलन में कहा जाता है यदि सिस्टम के एक हिस्से पर सिस्टम के एक हिस्से द्वारा कोई यांत्रिक कार्य नहीं किया जाता है। यह संभव है अगर सिस्टम के सभी हिस्सों में दबाव समान रहता है।
एक प्रणाली को रासायनिक संतुलन में कहा जाता है यदि सिस्टम में विभिन्न चरणों की रचना पूरे समय समान रहती है।
प्रक्रियाएं और उनके प्रकार:
वह ऑपरेशन जिसके द्वारा एक प्रणाली एक राज्य से दूसरे में बदलती है, एक प्रक्रिया कहलाती है। जब भी एक प्रणाली एक राज्य से दूसरे में बदलती है तो ऊर्जा में परिवर्तन के साथ होती है। ओपन सिस्टम के मामले में भी मामले में बदलाव हो सकता है।
निम्न प्रकार की प्रक्रियाओं को जाना जाता है:
इज़ोटेर्मल प्रक्रिया:
प्रक्रिया के प्रत्येक चरण के दौरान सिस्टम का तापमान स्थिर रहने पर एक प्रक्रिया को इज़ोटेर्मल कहा जाता है।
एडियाबेटिक प्रक्रिया:
एक प्रक्रिया को एडियाबेटिक कहा जाता है यदि प्रक्रिया के किसी भी चरण के दौरान कोई गर्मी प्रवेश नहीं करती है या सिस्टम को छोड़ देती है।
आइसोबैरिक प्रक्रिया:
यदि प्रक्रिया के प्रत्येक चरण के दौरान सिस्टम का दबाव स्थिर रहता है, तो एक प्रक्रिया को आइसोबैरिक कहा जाता है।
प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं:
एक प्रक्रिया को असीम रूप से धीरे-धीरे अंजाम दिया जाता है ताकि ड्राइविंग बल केवल विरोधी बल की तुलना में असीम रूप से अधिक हो, इसे प्रतिवर्ती प्रक्रिया कहा जाता है।
कोई भी प्रक्रिया जो उपरोक्त तरीके से नहीं होती है, यानी, एक ऐसी प्रक्रिया जो धीरे-धीरे अनन्तकाल तक नहीं होती है, को एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया कहा जाता है।
एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया को अभ्यास में महसूस नहीं किया जा सकता है क्योंकि इसके पूरा होने के लिए अनंत समय की आवश्यकता होगी। इसलिए, प्रकृति या प्रयोगशाला में होने वाली लगभग सभी प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं। एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया, इसलिए, काल्पनिक और सैद्धांतिक बनी हुई है।
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम:
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहता है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, हालांकि इसे एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है। इसे ऊर्जा के संरक्षण के नियम के रूप में भी जाना जाता है। दूसरे शब्दों में, समीकरण £ = mc से। 2 (जहां ई = ऊर्जा, एम = द्रव्यमान और सी = प्रकाश का वेग) कानून के रूप में कहा जा सकता है "एक पृथक प्रणाली का कुल द्रव्यमान और ऊर्जा अपरिवर्तित रहती है।"
आंतरिक ऊर्जा यू:
हर पदार्थ एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा से जुड़ा होता है जो उसके रासायनिक स्वभाव के साथ-साथ उसके तापमान, दबाव और आयतन पर भी निर्भर करता है। इस ऊर्जा को आंतरिक ऊर्जा के रूप में जाना जाता है। किसी पदार्थ या प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा एक निश्चित मात्रा होती है और यह किसी भी स्थिति में (यानी, रासायनिक प्रकृति, संरचना, तापमान, दबाव और आयतन) प्रणाली का एक कार्य है, चाहे वह किसी भी तरीके से हो राज्य के बारे में लाया गया है। आंतरिक ऊर्जा का वास्तविक मूल्य निर्धारित नहीं किया जा सकता है लेकिन एक रासायनिक या भौतिक प्रक्रिया के साथ आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन एक औसत दर्जे की मात्रा है।
एक प्रणाली की एंटाल्पी (हीट कंटेंट):
मान लीजिए कि एक सिस्टम की स्थिति में परिवर्तन निरंतर दबाव में लाया जाता है। उस स्थिति में, वॉल्यूम में परिवर्तन होगा। निरंतर दबाव P पर V A से V B तक की मात्रा बढ़ाएँ। तब, सिस्टम द्वारा किया गया कार्य (W) दिया जाएगा।
डब्ल्यू = - (वी बी -वी ए )
इसे समीकरण =U = q + w में प्रतिस्थापित करते हुए, हमारे पास है
∆U = q + {-p (V B -V A )}
यू बी- यू ए = क्यूपी (वी बी -वी ए )
या (यू बी + पीवी बी ) - (यू ए + पीवी ए ) = क्यू (१)
यू + पीवी की मात्रा को एक प्रणाली की थैलीपी के रूप में जाना जाता है और एच द्वारा निरूपित किया जाता है। यह एक प्रणाली में संग्रहीत कुल ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है। इस प्रकार,
एच = यू + पीवी
चूंकि, यू एक निश्चित संपत्ति है और पी और वी भी एक निश्चित गुण हैं जो एक प्रणाली की स्थिति को परिभाषित करते हैं, इसलिए एच एक प्रणाली की स्थिति के आधार पर एक निश्चित संपत्ति भी है।
समीकरण (1) से, हमारे पास है
एच बी- एच ए = = एच = क्यू (२)
चूंकि एच आर और एच ए निश्चित गुण हैं, यह स्पष्ट है कि like4 की तरह likeH, एक प्रणाली के प्रारंभिक और अंतिम राज्यों के आधार पर एक निश्चित संपत्ति है। स्पष्ट रूप से, representsH एक प्रणाली के थैलेपी में वृद्धि का प्रतिनिधित्व करता है जब यह राज्य ए से राज्य बी में बदलता है। इस प्रकार स्थिर दबाव पर अवशोषित गर्मी (q) भी एक निश्चित मात्रा है।
इसके अलावा, यह समीकरण (1), इस प्रकार है
(यू बी- यू ए ) + पी (वी बी -वी ए ) = क्यू
उपरोक्त q मान को समीकरण में शामिल करना (2) हम, है
∆H = (यू बी- यू ए ) + पी (वी बी -वी ए )
∆H = ∆U + P∆Y
जहां WhereV सिस्टम द्वारा आयतन में वृद्धि है।
उष्मागतिकी का दूसरा नियम:
उष्मागतिकी का दूसरा नियम कहता है कि, जब भी कोई सहज प्रक्रिया होती है, वह ब्रह्मांड की कुल ऊर्जा में वृद्धि के साथ होती है।
अधिक विशेष रूप से, ब्रह्मांड शब्द का अर्थ है प्रणाली और आसपास, इस प्रकार
∆S यूनिव = +S सिस्टम + .S आसपास
जैसा कि ऊपर कहा गया दूसरा कानून हमें बताता है कि जब एक अपरिवर्तनीय सहज प्रक्रिया होती है, तो सिस्टम और परिवेश में प्रवेश बढ़ता है। दूसरे शब्दों में, एएस यूनिव > ओ (शून्य), जब प्रतिवर्ती प्रक्रिया होती है, तो सिस्टम का एन्ट्रॉपी निरंतर एएस सर होता है । = O. चूंकि संपूर्ण ब्रह्मांड सहज परिवर्तन के दौर से गुजर रहा है, दूसरा कानून सबसे आम तौर पर और संक्षिप्त रूप से नहीं कहा जा सकता है क्योंकि सिस्टम की एन्ट्रापी लगातार बढ़ रही है।
एन्ट्रापी की अवधारणा:
एंट्रॉपी (एस) एक प्रणाली में यादृच्छिकता या विकार के लिए एक मात्रात्मक अभिव्यक्ति है। जब किसी प्रतिक्रिया के उत्पाद कम जटिल होते हैं और अभिकारकों की तुलना में अधिक अव्यवस्थित होते हैं, तो प्रतिक्रिया को एन्ट्रापी में लाभ के साथ आगे बढ़ने के लिए कहा जाता है।
एक प्रणाली की एन्ट्रॉपी एक वास्तविक भौतिक मात्रा है और शरीर की स्थिति जैसे दबाव, आयतन, तापमान या आंतरिक ऊर्जा का एक निश्चित कार्य है। एक प्रणाली की वास्तविक एन्ट्रापी को परिभाषित करना मुश्किल है। राज्य परिवर्तन के दौरान एन्ट्रापी के परिवर्तन को परिभाषित करना अधिक सुविधाजनक है।
इस प्रकार, एक प्रणाली के एन्ट्रापी के परिवर्तन को उन सभी शब्दों के योग के रूप में परिभाषित किया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक को पूर्णतया तापमान (T) द्वारा विभाजित हीट एक्सचेंजेड (q) से जोड़ा जाता है, जो प्रक्रिया के प्रत्येक छोटे-छोटे परिवर्तन के दौरान उलटा होता है। इस प्रकार, निरंतर तापमान पर एक प्रणाली की स्थिति के परिमित परिवर्तन के लिए एन्ट्रापी परिवर्तन द्वारा दिया जाता है
∆S = q रेव / टी
मान onlyS, एक निश्चित मात्रा है और केवल सिस्टम के प्रारंभिक और अंतिम राज्यों पर निर्भर करता है। यह पथ या उस तरीके से स्वतंत्र है जिसके द्वारा परिवर्तन लाया गया है। यदि अंतिम से प्रारंभिक स्थिति में परिवर्तन उलटा या अपरिवर्तनीय रूप से लाया गया है, तो भी मूल्य समान रहेगा।
एन्ट्रापी की इकाइयाँ:
चूंकि एन्ट्रापी परिवर्तन को निरपेक्ष तापमान द्वारा विभाजित गर्मी शब्द द्वारा व्यक्त किया जाता है, एन्ट्रापी को प्रति डिग्री कैलोरी के संदर्भ में व्यक्त किया जाता है अर्थात, कैलोरी -1 । इसे एन्ट्रापी यूनिट, यूरो एसआई इकाइयों के रूप में जाना जाता है, एन्ट्रॉपी को जूल प्रति डिग्री केल्विन (जे -1 ) के रूप में व्यक्त किया जाता है।
(I) आदर्श गैस के इज़ोटेर्माल विस्तार में प्रवेश परिवर्तन:
विपरीत रूप से किए गए एक आदर्श गैस के इज़ोटेर्माल विस्तार में, आंतरिक ऊर्जा का परिवर्तन नहीं होगा अर्थात, एयू = 0 और इसलिए पहले कानून समीकरण (अर्थात, qU = q + w) से
क्यू रेव = - डब्ल्यू
ऐसे मामले में, निरंतर तापमान T पर, वॉल्यूम V 1 से V 2 तक गैस के n मोल्स के विस्तार में किया गया कार्य निम्न द्वारा दिया जाता है:
-w = nRT In (V 2 / V 1 )
)S = आर इन (वी 2 / वी 1 )
(II) प्रतिवर्ती (सहज प्रक्रिया) में एन्ट्रापी परिवर्तन:
गैस के एक मोल में विस्तार की सहज प्रक्रिया के दौरान प्रणाली और उसके आसपास के एन्ट्रापी में कुल वृद्धि होगी
एएस = आर इन (वी 2 / वी 1 )
V 2 > V 1 के बाद से, यह स्पष्ट है कि एक गैस के सहज (अपरिवर्तनीय) इज़ोटेर्मल विस्तार प्रणाली के एन्ट्रापी और उसके आसपास के वातावरण में वृद्धि के साथ है। इस प्रकार हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि:
एक ऊष्मागतिकीय अपरिवर्तनीय प्रक्रिया हमेशा प्रणाली और उसके आस-पास के वातावरण में वृद्धि के साथ होती है। अपरिवर्तनीय (सहज) प्रक्रिया में एन्ट्रापी परिवर्तन शून्य है, अर्थात OS = O. या दूसरे शब्दों में, एक थर्मोडायनामिक रूप से प्रतिवर्ती प्रक्रिया में, सिस्टम और उसके आस-पास का एन्ट्रापी एकतरफा रहता है।
चूँकि प्रकृति में सभी प्रक्रिया अनायास यानी अपरिवर्तनीय रूप से घटित होती है, इसलिए यह इस प्रकार है कि ब्रह्माण्ड की अंतःप्रज्ञा निरंतर बढ़ रही है। यह दूसरे कानून का एक और बयान है।
एन्ट्रापी का भौतिक महत्व:
1. सहज प्रक्रिया एन्ट्रापी में वृद्धि के साथ-साथ प्रणाली के विकार में वृद्धि के साथ होती है। इसलिए, एन्ट्रॉपी को एक प्रणाली के विकार के उपाय के रूप में माना जाता है।
2. एक सहज परिवर्तन हमेशा एक कम संभावित से अधिक संभावित स्थिति में होता है, इस प्रकार एन्ट्रापी और थर्मोडायनामिक संभावना निकटता से संबंधित हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम:
इस कानून के अनुसार, पूर्ण शून्य पर एक पूरी तरह से क्रिस्टलीय पदार्थ की एन्ट्रापी को शून्य के रूप में लिया जाता है। इसका मतलब शून्य केल्विन में कम से कम विकार या सही क्रम है।
गिब की नि: शुल्क ऊर्जा या गीब का कार्य (G):
गिब की मुक्त ऊर्जा (G) एक निरंतर तापमान और दबाव पर प्रतिक्रिया के दौरान काम करने में सक्षम ऊर्जा की मात्रा को व्यक्त करती है। जब एक प्रतिक्रिया मुक्त ऊर्जा की रिहाई के साथ आगे बढ़ती है (यानी जब सिस्टम कम मुक्त ऊर्जा के अधिकारी के रूप में बदलता है) तो मुक्त ऊर्जा परिवर्तन (एजी), एक नकारात्मक संकेत है और प्रतिक्रिया को एक्सर्जोनिक कहा जाता है। एंडर्जोनिक प्रतिक्रियाओं में, सिस्टम मुफ्त ऊर्जा प्राप्त करता है और एजी सकारात्मक है।
जैविक प्रणालियों (स्थिर तापमान और दबाव में) में मौजूद स्थितियों के तहत, मुफ्त ऊर्जा में परिवर्तन, थैलेपी और एंट्रोपी समीकरण द्वारा एक दूसरे से मात्रात्मक रूप से संबंधित हैं।
∆G = ∆HT∆S
जहां एजी = (जी उत्पाद जी प्रतिक्रियाशील )
= प्रतिक्रिया प्रणाली के गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन।
∆H = प्रणाली की थैलीपीस में परिवर्तन।
टी = निरपेक्ष तापमान।
∆S = एक प्रतिक्रिया प्रणाली के एन्ट्रापी में परिवर्तन।
कन्वेंशन द्वारा AS में धनात्मक संकेत होता है जब एन्ट्रापी बढ़ता है और aH में एक नकारात्मक चिन्ह होता है जब सिस्टम द्वारा अपने आस-पास गर्मी जारी की जाती है। इन स्थितियों में से कोई भी, जो अनुकूल प्रक्रियाओं के विशिष्ट हैं, ∆G को नकारात्मक बनाने की प्रवृत्ति होगी। वास्तव में, एक सहज प्रतिक्रिया प्रणाली का factG हमेशा नकारात्मक होता है।
कोशिकाओं को मुफ्त ऊर्जा के स्रोतों की आवश्यकता होती है:
जीवित जीव ऊर्जा का उपभोग या उपयोग नहीं कर सकते हैं; वे केवल ऊर्जा के एक रूप को दूसरे में बदल सकते हैं। वे अपने वातावरण से ऊर्जा का एक रूप अवशोषित करते हैं जो तापमान और दबाव की विशेष परिस्थितियों में उनके लिए उपयोगी होता है जिसमें वे रहते हैं और फिर पर्यावरण में ऊर्जा की एक समान मात्रा में वापस लौटते हैं, कम उपयोगी रूप।
ऊर्जा का उपयोगी रूप जो कोशिकाएं लेती हैं, उन्हें गिब्स मुक्त ऊर्जा फ़ंक्शन जी द्वारा वर्णित मुक्त ऊर्जा कहा जाता है, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दिशा, उनकी सटीक संतुलन स्थिति और सिद्धांत में काम की मात्रा की निरंतर तापमान पर प्रदर्शन करने की अनुमति देता है दबाव। जीवित कोशिका इस प्रकार एक गैर-संतुलन ओपन सिस्टम है; पर्यावरण से मुक्त ऊर्जा निकालने के लिए एक मशीन, जिसके कारण यादृच्छिकता में वृद्धि होती है।
किसी भी समय जीवित कोशिका अनिवार्य रूप से इज़ोटेर्मल होती है, सेल के सभी भागों में अनिवार्य रूप से एक ही तापमान होता है। इसके अलावा, सेल के एक भाग और दूसरे के बीच दबाव में कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं हैं।
इन कारणों से कोशिकाएँ ऊर्जा के स्रोत के रूप में ऊष्मा का उपयोग करने में असमर्थ होती हैं, क्योंकि ऊष्मा निरंतर दबाव पर तभी काम कर सकती है जब यह उच्च तापमान के क्षेत्र से निम्न तापमान के क्षेत्र में गुजरती है। जीवित कोशिकाएं इस प्रकार इज़ोटेर्माल रासायनिक इंजन के रूप में कार्य करती हैं।
कोशिकाओं को उनके वातावरण से अवशोषित करने वाली ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में बदल दिया जाता है, जो तब कोशिका घटकों के जैवसंश्लेषण में शामिल रासायनिक कार्य को पूरा करने के लिए उपयोग की जाती है, कोशिका में परिवहन सामग्री के लिए आवश्यक आसमाटिक कार्य और संकुचन के यांत्रिक कार्य हरकत, आदि हेटरोट्रॉफ़िक कोशिकाएँ पोषक अणुओं से मुक्त ऊर्जा प्राप्त करती हैं, और प्रकाश संश्लेषक कोशिकाएँ इसे अवशोषित सौर विकिरण से प्राप्त करती हैं।
स्टैंडर्ड फ्री-एनर्जी चेंज का सीधा संबंध इक्विलिब्रियम कॉन्स्टैंट से है:
एक प्रतिक्रिया प्रणाली की संरचना जो रासायनिक अभिकारकों और उत्पादों का एक मिश्रण है, जब तक संतुलन स्थापित नहीं होता है तब तक यह जारी रहेगा। अभिकारकों और उत्पादों की संतुलन एकाग्रता में, आगे और रिवर्स प्रतिक्रियाओं की दरें बिल्कुल समान हैं और सिस्टम में कोई और परिवर्तन नहीं होता है। The concentration of reactants and products at equilibrium define the equilibrium constant. In general reaction
aA+bB cC + dD
Where a, b, c and d are the number of molecules of A, B, C and D participating, the equilibrium constant is given by
Keq = [C] c [D] d /[A] a [B] b
Where [A], [B], [C] and [D] are the molar concentration of the reaction components at the point of equilibrium; and Keq is called the equilibrium constant.
When a reacting system is not at equilibrium, the tendency to move towards equilibrium represents the driving force, the magnitude of which can be expressed as the free-energy change for the reaction, ∆G.
Under standard conditions (25°C, 1 atm pressure) when reactants and products are initially present at 1M concentration or, for gases at partial pressures of 101.3 K Pa, the force driving the system towards equilibrium is defined as the standard free-energy, ∆G o .
∆G o = ∆H o – T∆S o
The relationship between Keq and ∆G o is given by
∆G° = -RTInK' eq.
