Ekzergonik ve Endergonik Tepkimeler Nelerdir? Nasıl Çalışırlar?

Termodinamik, madde ve çevre arasındaki enerji ilişkilerini inceleyen fizik dalıdır. Özellikle termal enerjinin diğer enerji formlarına nasıl dönüştürüldüğünü ve nasıl bir etkiye sahip olduğunu açıklar. Termodinamik çerçevesinde tanımlanan iki yasa, büyük öneme sahiptir: Termodinamiğin 1. yasası, bize, enerjinin yoktan var edilemeyeceğini aynı zamanda yok edilemeyeceğini, 2. yasası ise kapalı sistemlerde entropinin sürekli artmak zorunda olduğunu söyler.

Entropi ise, kapalı bir termodinamik sistemde çalışmak için mevcut olmayan termal enerji miktarının nicel bir ölçüsü, aynı zamanda kapalı bir sistemdeki bozukluğun veya rastgeleliğin bir ölçüsü olarak tanımlanır (ancak entropi kavramını görselleştirmek pek kolay değildir). Bir sistemin içindeki sıcaklığın düzenli (İng: "uniform") olduğu durumda iş yapabilen enerjiyi ise serbest enerji olarak tanımlarız.

Canlı hücrelerde de sıcaklık düzenlidir, dolayısıyla biz canlıların hücreleri de serbest enerjiyle iş yapar. Serbest enerji, toplam enerjiden Kelvin × entropinin çıkarılmasıyla bulunur:

$G=H-TS$

Bu formülde $G$, serbest enerjiyi, $H$ toplam enerjiyi, $T$ Kelvin cinsinden sıcaklığı (C° + 273), $S$ ise entropiyi ifade eder.

Serbest enerjiyi sistemin kararsızlığının bir ölçüsü, yani kararlı duruma geçme eğilimi olarak düşünebiliriz. Sıkıştırılmış yaylar ve birbirinden uzaklaştırılan zıt yükler gibi sistemler, enerji açısından zengin ve kararsızdırlar. Buna benzer şekilde, yüksek düzen düzeyinde olan moleküller de kararsızdır. Çünkü düzen kararsızdır ve enerji, düzensizliğe meyillidir. Kararlı bir duruma kendiliğinden geçmeye meyilli olan sistemler, yüksek enerjiye, düşük entropiye ya da her ikisine birden sahiptirler.

Bir olayın kendiliğinden gerçekleşebilmesi için ya dışarıya enerji vererek kendi enerjisini azaltması ($H$ artışı) ya da düzenini azaltarak entropisini arttırması gerekir ($S$ artışı). Bu durumda denklem şu şekilde yeniden ifade edilebilir:

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

veya

$G_{\ddot{u}r\ddot{u}n}-G_{reaktant}=\Delta H-T\Delta S$

Bu denklemde $H$ ve $S$'deki değişiklikler hesaplandığında, $\Delta G<0$, yani negatif olması gerekir. $\Delta G$ ne kadar negatif olursa, yani serbest enerji ne kadar azalırsa, yapılabilecek maksimum iş de o kadar büyür. Bunu, havanın olmadığı bir ortamda, bir topun ne kadar yüksekten bırakılırsa o kadar hızlı düşmesine benzetebiliriz.

Ekzergonik (Enerji Veren) Tepkimeler Nedir?

Ekzergonik tepkimeler, dış ortama enerji salınımı yapan tepkimelerdir. Kimyasal karışım, serbest enerji kaybettiği için, yani dışarıya enerji verdiği için, $\Delta G<0$ olur. Bu da ekzergonik tepkimelerin kendiliğinden gerçekleştiğini ifade eder. Bu, o tepkimenin gözle görünür bir hızda gerçekleşeceği anlamına gelmemektedir; bunun için ekstradan katalizör gerekebilir. Örneğin hidrojen peroksitin yıkımı tepkimesi serbest enerji açığa çıkaran bir tepkimedir; ancak uygun bir katalizör olmadığında çok yavaş gerçekleşir. Dolayısıyla "kendiliğinden gerçekleşme" yerine "gerçekleşmeye hevesli" tanımı daha doğru bir tanım olacaktır.

$\Delta G$ büyüklüğü, bize bu tepkimenin yapabildiği maksimum iş miktarını belirtir. Örnek vermek gerekirse:

$C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2\to 6C{O}_2+6H_{2}O$

Bu tepkime için $\Delta G=-686kcal/mol$'dür ve standart koşullar altında, solunumla yıkılan 1 mol (180 gram) glikozun 686 kcal iş enerjisi sağladığını gösterir. $\Delta G<0$ olduğu için, enerji çıkışlı, yani ekzergonik bir tepkime olduğu söylenebilir. Yıkım sonucu açığa çıkan enerji, düzenli glikoz molekülünün bağlarında depolanan enerjidir. Termodinamik yasalarının bize gösterdiği gibi enerji yalnızca biçim değiştirir.

Endergonik (Enerji Alan) Tepkimeler Nedir?

Endergonik tepkimeler ise ortamdan enerji soğuran tepkimelerdir. Bu tepkimeler kimyasal bağlarla enerji depolar dolayısıyla $\Delta G>0$ yani pozitif olur. $\Delta G$ büyüklüğü, bize tepkimeyi gerçekleştirmek için gereken enerjiyi gösterir. Sentez tepkimeleri buna örnektir. Bu tepkimelerde moleküller birleştirildiği için molekülün düzeni artar ve kimyasal bağlarla potansiyel enerji birikimi sağlanır.

Metabolizma içerisinde endergonik tepkimeler, anabolik tepkime olarak bilinir ve bu tepkimeler, hücre içinde daha büyük yapılı moleküllerin üretilmesini sağlar. Birçok durumda, bu inşa işlemi için gereken enerji, adenozin trifosfat (ATP) isimli molekülün, pozitif yüklü adenozin difosfat (ADP) molekülü ile yüksek enerjili ve negatif yüklü organik fosfata ayrıştırılmasıyla sağlanır.

Bir tepkimenin kimyasal denge halini tanımlayan denge sabiti ($K$), serbest enerji ile aşağıdaki gibi ilişkilidir:

$K=e^{-\frac{\Delta G^0}{RT}}$

Eğer $\Delta G^0$, yani standart Gibbs serbest enerjisi, yani 1 bar basınç ve tepkimeye giren tüm maddelerin 1 molar konsantrasyonda olduğu şartlardaki serbest enerji pozitif bir değere sahipse (endergonik bir tepkimeden söz ediliyorsa), $K<1$ olacaktır. Dolayısıyla bu tür bir tepkime, denge haline ulaşmak için geri yönlü işleyecektir, ileri yönlü değil.

Buna rağmen endergonik tepkimelere doğada sıklıkla rastlarız (özellikle de biyokimya ve fizyoloji sahalarında). Örneğin sinirlerde elektrik atımı iletimi veya kasların kasılması da bu tür tepkimelerdir.

Sonuç

Son olarak, şunu hatırlatabiliriz: Ekzergonik ve endergonik gibi terimler, sadece kimyasal tepkimeler için geçerli değildir; serbest enerji değişimi yaşayan her türlü olay, olgu ve süreç için kullanılabilirler. Örneğin "egzotermik" ve "endotermik" gibi terimler, kapalı bir sistemdeki entalpi değişimini anlatmak için kullanılan, genellikle ısı ile ilişkilendirilen terimlerdir.