Kimyasal Tepkimeler
Canlı bir organizmanın bir özelliği de metabolizmadır; bu, organizmanın sağlığını ve yaşamını sürdürmek için devam eden tüm kimyasal reaksiyonların toplamıdır. Şimdiye kadar öğrendiğiniz bağlanma süreçleri anabolik kimyasal reaksiyonlardır; yani daha küçük moleküllerden veya atomlardan daha büyük moleküller oluştururlar. Ancak metabolizmanın başka bir yönde de ilerleyebileceğini hatırlayın: katabolik kimyasal reaksiyonlarda, daha büyük moleküllerin bileşenleri arasındaki bağlar kopar ve daha küçük moleküller veya atomlar açığa çıkar. Her iki reaksiyon türü de sadece madde değil enerji alışverişini de içerir.
Kimyasal Tepkimelerde Enerjinin Rolü
Kimyasal tepkimeler, maddenin yeterli hassasiyet ve kuvvetle çarpışarak eski kimyasal bağların kopmasına ve yenilerinin oluşmasına neden olacak yeterli miktarda enerji gerektirir. Genel olarak kinetik enerji, hareket halindeki her türlü maddeye güç veren enerji biçimidir. Bir tuğla duvar inşa ettiğinizi düşünün. Bir tuğlayı kaldırıp diğerinin üzerine yerleştirmek için gereken enerji kinetik enerjidir - maddenin hareketinden dolayı sahip olduğu enerji. Duvar yerine oturduktan sonra potansiyel enerji depolar. Potansiyel enerji, konum enerjisidir ya da maddenin bileşenlerinin konumu veya yapısı nedeniyle sahip olduğu enerjidir. Eğer tuğla duvar yıkılırsa, depolanan potansiyel enerji tuğlalar düşerken kinetik enerji olarak açığa çıkar.
İnsan vücudunda potansiyel enerji, atomlar ve moleküller arasındaki bağlarda depolanır. Kimyasal enerji, enerjinin kimyasal bağlarda depolandığı potansiyel enerji biçimidir. Bu bağlar oluştuğunda kimyasal enerji harcanmakta, koptuğunda ise kimyasal enerji açığa çıkmaktadır. Tüm enerji gibi kimyasal enerjinin de ne yaratıldığına ne de yok edildiğine dikkat edin; daha ziyade bir formdan diğerine dönüştürülür. Yürüyüşe çıkmadan önce bir enerji barı yediğinizde, barın içerdiği bal, fındık ve diğer gıdalar vücudunuz tarafından parçalanır ve kas hücrelerinizin kinetik enerjiye dönüştürdüğü moleküllere yeniden düzenlenir.
Absorbe ettiklerinden daha fazla enerji açığa çıkaran kimyasal reaksiyonlar ekzergonik olarak nitelendirilir. Enerji barınızdaki gıdaların katabolizması buna bir örnektir. Barda depolanan kimyasal enerjinin bir kısmı vücudunuzun yakıt olarak kullandığı moleküllere emilir, ancak bir kısmı da ısı olarak açığa çıkar. Buna karşılık, saldıklarından daha fazla enerji emen kimyasal reaksiyonlar endergoniktir. Bu reaksiyonlar enerji girişi gerektirir ve ortaya çıkan molekül sadece orijinal bileşenlerdeki kimyasal enerjiyi değil, aynı zamanda reaksiyonu besleyen enerjiyi de depolar. Enerji ne yaratıldığı ne de yok edildiği için, endergonik reaksiyonlar için gereken enerji nereden gelir? Çoğu durumda, ekzergonik reaksiyonlardan kaynaklanır.
İnsan İşlevlerinde Önemli Olan Enerji Biçimleri
Kimyasal enerjinin kimyasal bağlar tarafından emildiğini, depolandığını ve serbest bırakıldığını zaten öğrenmiştiniz. Kimyasal enerjinin yanı sıra mekanik, radyant ve elektrik enerjisi de insan işleyişinde önemlidir.
- Makineler, motorlar veya insan vücudu gibi fiziksel sistemlerde depolanan mekanik enerji, maddenin hareketine doğrudan güç sağlar. Bir tuğlayı duvardaki yerine kaldırdığınızda, kaslarınız tuğlayı hareket ettiren mekanik enerjiyi sağlar.
- Radyant enerji, madde yerine dalga olarak yayılan ve iletilen enerjidir. Bu dalgaların uzunluğu uzun radyo dalgaları ve mikrodalgalardan, bozunan atom çekirdeklerinden yayılan kısa gama dalgalarına kadar değişir. Radyant enerjinin tüm spektrumu elektromanyetik spektrum olarak adlandırılır. Vücut, güneş ışığının ultraviyole enerjisini kullanarak deri hücrelerindeki bir bileşiği insan fonksiyonları için gerekli olan D vitaminine dönüştürür. İnsan gözü, kırmızıdan menekşeye kadar gökkuşağının renklerini oluşturan dalga boylarını görmek üzere evrimleşmiştir, bu nedenle spektrumdaki bu aralığa "görünür ışık" denir.
- Hücrelerdeki ve vücut sıvılarındaki elektrolitler tarafından sağlanan elektrik enerjisi, sinir ve kas hücrelerindeki uyarıların iletilmesine yardımcı olan voltaj değişikliklerine katkıda bulunur.
Kimyasal Tepkimelerin Özellikleri
Tüm kimyasal reaksiyonlar, reaksiyona giren bir veya daha fazla madde için kullanılan genel terim olan bir reaktant ile başlar. Örneğin, sodyum ve klorür iyonları sofra tuzu üretiminde kullanılan reaktiflerdir. Bir kimyasal reaksiyon sonucu ortaya çıkan bir veya daha fazla maddeye ürün denir.
Kimyasal reaksiyonlarda, reaktanların bileşenleri -ilgili elementler ve her birinin atom sayısı- ürün(ler)de mevcuttur. Benzer şekilde, ürünlerde de reaktanlarda bulunmayan hiçbir şey yoktur. Bunun nedeni, kimyasal reaksiyonların, kimyasal bir reaksiyonda maddenin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini belirten kütlenin korunumu yasası tarafından yönetilmesidir.
Matematiksel hesaplamaları 2 + 7 = 9 gibi denklemlerle ifade edebildiğiniz gibi, reaktanların nasıl ürüne dönüştüğünü göstermek için kimyasal denklemleri kullanabilirsiniz. Matematikte olduğu gibi kimyasal denklemler de soldan sağa doğru ilerler, ancak eşittir işareti yerine kimyasal reaksiyonun ilerlediği yönü gösteren bir ok veya oklar kullanılır. Örneğin, bir azot atomu ve üç hidrojen atomunun amonyak ürettiği kimyasal reaksiyon N + 3H→NH3 şeklinde yazılabilir. Buna uygun olarak, amonyağın bileşenlerine ayrılması NH3→N + 3H şeklinde yazılacaktır.
İlk örnekte bir nitrojen (N) atomu ile üç hidrojen (H) atomunun bir bileşik oluşturmak üzere bağlandığına dikkat edin. Bu anabolik reaksiyon, daha sonra bileşiğin bağları içinde depolanan enerjiyi gerektirir. Bu tür reaksiyonlar sentez reaksiyonları olarak adlandırılır. Bir sentez reaksiyonu, daha önce ayrı olan bileşenlerin sentezi (birleşmesi) ile sonuçlanan kimyasal bir reaksiyondur (aşağıdaki şekil üstteki kısım). Yine, azot ve hidrojen, ürün olarak amonyak veren bir sentez reaksiyonunda reaktanlardır. Bir sentez reaksiyonu için genel denklem A + B→AB şeklindedir.
İkinci örnekte, amonyak daha küçük bileşenlerine katabolize olur ve bağlarında depolanmış olan potansiyel enerji serbest kalır. Bu tür tepkimeler ayrışma tepkimeleri olarak adlandırılır. Ayrışma tepkimesi, daha büyük bir şeyi kendisini oluşturan parçalara ayıran veya "ayrıştıran" kimyasal bir tepkimedir (yukarıdaki şekil ortadaki kısım). Bir ayrışma reaksiyonu için genel denklem şöyledir: AB→A+B.
Bir değişim tepkimesi, hem sentezin hem de ayrışmanın gerçekleştiği, kimyasal bağların hem oluştuğu hem de kırıldığı ve kimyasal enerjinin emildiği, depolandığı ve salındığı bir kimyasal tepkimedir (yukarıdaki şekil alttaki kısım).
Bir değişim reaksiyonunun en basit şekli şöyle olabilir: A+BC→AB+C. Bu ürünleri üretmek için B ve C'nin bir ayrışma reaksiyonunda parçalanması gerekirken, A ve B'nin bir sentez reaksiyonunda bağlanması gerektiğine dikkat edin. Daha karmaşık bir değişim reaksiyonu şöyle olabilir: AB+CD→AC+BD. Başka bir örnek de şöyle olabilir: AB+CD→AD+BC.
Teorik olarak, herhangi bir kimyasal reaksiyon doğru koşullar altında her iki yönde de ilerleyebilir. Reaktantlar daha sonra ayrışan bir ürüne sentezlenebilir. Tersinirlik de değişim reaksiyonlarının bir niteliğidir.
Örneğin, A+BC→AB+C daha sonra AB+C→A+BC olarak ters çevrilebilir. Bir kimyasal reaksiyonun tersinirliği çift ok ile gösterilir: A+BC⇄AB+C. Yine de insan vücudunda pek çok kimyasal reaksiyon şu ya da bu şekilde öngörülebilir bir yönde ilerler. Bu daha öngörülebilir yolu en az direnç gösteren yol olarak düşünebilirsiniz, çünkü tipik olarak alternatif yön daha fazla enerji gerektirir.
Kimyasal Tepkimelerin Hızını Etkileyen Unsurlar
Kabartma tozu içine sirke dökerseniz, reaksiyon anlıktır; karışım köpürür ve fokurdar. Ancak birçok kimyasal reaksiyon zaman alır. Kimyasal reaksiyonların hızını etkileyen çeşitli faktörler vardır. Ancak bu bölümde sadece insan işleyişinde en önemli olanları ele alınacaktır.
Reaktantların Özellikleri
Kimyasal reaksiyonların hızlı bir şekilde gerçekleşmesi için, reaktanlardaki atomların birbirlerine kolayca erişebilmeleri gerekir. Dolayısıyla, reaktanların yüzey alanı ne kadar büyük olursa, o kadar kolay etkileşime gireceklerdir. Ağzınıza bir küp peynir attığınızda, yutmadan önce çiğnersiniz. Diğer şeylerin yanı sıra çiğneme, sindirim kimyasallarının gıdaya daha kolay ulaşabilmesi için gıdanın yüzey alanını artırır. Genel bir kural olarak, gazlar sıvılardan veya katılardan daha hızlı reaksiyona girme eğilimindedir, çünkü yine bir maddenin parçacıklarını ayırmak enerji gerektirir ve gazların tanımı gereği parçacıkları arasında zaten boşluk vardır. Benzer şekilde, molekül ne kadar büyükse, toplam bağ sayısı da o kadar fazla olacağından, daha az toplam bağa sahip daha küçük molekülleri içeren reaksiyonların daha hızlı ilerlemesi beklenir.
Buna ek olarak, bazı elementlerin diğerlerinden daha tepkisel olduğunu hatırlayın. Hidrojen gibi yüksek tepkisel elementleri içeren tepkimeler, daha az tepkisel elementleri içeren tepkimelere göre daha hızlı ilerler. Helyum gibi kararlı elementleri içeren tepkimelerin gerçekleşme olasılığı hiç yoktur.
Sıcaklık
Neredeyse tüm kimyasal tepkimeler yüksek sıcaklıklarda daha hızlı gerçekleşir. Kinetik enerjinin hareket halindeki maddenin enerjisi olduğunu hatırlayın. Atom altı parçacıkların kinetik enerjisi, termal enerjideki artışlara yanıt olarak artar. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, parçacıklar o kadar hızlı hareket eder ve temas edip tepkimeye girme olasılıkları o kadar artar.
Konsantrasyon ve Basınç
Bir kulüpte sadece birkaç kişi dans ediyorsa, birbirlerinin ayak parmaklarına basmaları pek olası değildir. Ancak giderek daha fazla insan dans etmek için ayağa kalktıkça -özellikle de müzik hızlıysa- çarpışmaların meydana gelmesi muhtemeldir. Kimyasal tepkimelerde de durum aynıdır: belirli bir alanda ne kadar çok parçacık varsa, bu parçacıkların birbirine çarpma olasılığı da o kadar yüksektir. Bu da kimyagerlerin kimyasal tepkimeleri yalnızca parçacıkların konsantrasyonunu (boşluktaki parçacık sayısı) arttırarak değil, aynı zamanda boşluğun hacmini azaltarak da hızlandırabilecekleri anlamına gelir ki bu da basıncı arttıracaktır. Eğer o kulüpte 100 dansçı varsa ve yönetici partiyi aniden yarı büyüklüğünde bir odaya taşırsa, dansçıların yoğunluğu yeni alanda iki katına çıkacak ve çarpışma olasılığı da buna bağlı olarak artacaktır.
Enzimler ve Diğer Katalizörler
Doğada iki kimyasalın birbiriyle tepkimeye girmesi için önce temas etmeleri gerekir ve bu da rastgele çarpışmalar yoluyla gerçekleşir. Isı, atomların, iyonların ve moleküllerin kinetik enerjisini artırmaya yardımcı olduğundan, çarpışmalarını teşvik eder. Ancak vücutta, çok yüksek ateş gibi aşırı yüksek ısı da vücut hücrelerine zarar verebilir ve hayatı tehdit edebilir. Öte yandan, normal vücut sıcaklığı yaşamı sürdüren kimyasal tepkimeleri teşvik edecek kadar yüksek değildir. İşte bu noktada katalizörler devreye girer.
Kimyada katalizör, kendisi herhangi bir değişikliğe uğramadan bir kimyasal tepkimenin hızını artıran bir maddedir. Katalizörü kimyasal bir değişim ajanı olarak düşünebilirsiniz. Atomların, iyonların ve moleküllerin çarpışma hızını ve kuvvetini artırmaya yardımcı olurlar, böylece değerlik kabuğu elektronlarının etkileşime girme olasılığını artırırlar.
İnsan vücudundaki en önemli katalizörler enzimlerdir. Enzim, protein veya ribonükleik asitten (RNA) oluşan bir katalizördür ve her ikisi de bu bölümün ilerleyen kısımlarında ele alınacaktır. Tüm katalizörler gibi enzimler de kimyasal bir tepkimeye harcanması gereken enerji seviyesini düşürerek çalışır. Bir kimyasal reaksiyonun aktivasyon enerjisi, reaktanlardaki bağları kırmak için gereken "eşik" enerji seviyesidir. Bu bağlar bir kez koptuğunda, yeni düzenlemeler oluşabilir. Katalizör görevi görecek bir enzim olmadan, kimyasal bir tepkimeyi ateşlemek için çok daha büyük bir enerji yatırımı gerekir (aşağıdaki şekil).
Enzimler vücudun sağlıklı işleyişi için kritik öneme sahiptir. Örneğin, gıdaların parçalanmasına ve enerjiye dönüştürülmesine yardımcı olurlar. Aslında, vücuttaki kimyasal tepkimelerin çoğu enzimler tarafından kolaylaştırılır.
Sonraki Ders: İnsan İşlevleri için Gerekli İnorganik Bileşikler
Yorumlar
Yorum Gönder