Update

content/Biokemi/Termodynamik/Anteckningar Gabriel.md

@@ -0,0 +1,261 @@
+
+Termodynamik är ett sätt att kvantitativt (med beräkningar) beskriva
+energiomvandlingar i reaktioner och är vetenskap inom volym, energi,
+temperatur och tryck.
+
+Termodynamik handlar om vad som kan ske, men inte reaktionshastigheter
+och det finns olika system:
+- Isolerat system: System där varken energi eller materia/massa utbyts med omgivningen.
+	- Termos som bevarar energi (värme) samt materia (t.ex vatten)
+- Stängt system: System där energi utbyts men inte materia med omgivningen.
+	- Kastrull där energi (värme) flödar in/ut men inte materia.
+- Öppet system: System där både energi och materia utbyts med omgivningen.
+	- Celler tar in energi (t.ex solenergi) och materia (t.ex glukos).
+
+Det finns huvudsakligen två typer av reaktioner:
+- Exergona reaktioner: Spontana reaktioner där energi avges till omgivningen, t.ex när väteatomer binds till syreatomer (knallgas).
+	- ΔG (Gibbs fria energi) < 0.
+- Endergona reaktioner: icke-spontana reaktioner där energi upptas från omgivningen, t.ex issmältning.
+	- ΔG > 0
+- Jämviktsreaktioner: Notera att vid jämvikt finns noll netto energiöverföring, då reaktionen är i balans och energin ständigt omvandlas (reaktanter → produkter och vice versa) till den ena om systemet inte störs.
+	- ΔG = 0
+
+Termodynamikens fyra lagar:
+Om två system är i jämvikt med ett tredje system, då är båda systemen
+också i jämvikt.
+	- Om system A är i jämvikt med system C och system B också är i
+jämvikt med system C, är A i jämvikt med B. Detta möjliggör
+jämförelse av två system via ett externt system.
+●
+Exempelvis, om en termometer (C) visar samma temperatur i både rum
+A och rum B, är A i termisk jämvikt med B.
+1. Energin kan varken skapas eller förstöras, utan kan endast omvandlas.
+●
+Den totala energin i universum är konstant, detsamma gäller ett isolerat
+system. Medan för stängda respektive öppna system kan energiutbyte
+med omgivningen ske dock är den totala energin (system + omgivning)
+före reaktionen och efter detsamma då energi.
+2. System tenderar att gå från ordnade till oordnade tillstånd.
+●
+Den totala entropin (oordning), system + omgivning, i universum ökar
+med tiden.
+●
+△𝑆
+𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ≥ 0
+. Skillnaden i entropi (S), ju högre S, desto högre entropi
+3. Entropi av kristallint, perfekt ordnat ämne, går till noll när T
+(temperaturen) → 0 ( T = 0 K kan aldrig uppnås!)
+●
+S = 0 kan aldrig nås, dock kan olika system med låga temperaturer
+komma nära det.
+●
+Ju högre T är desto högre S (entropin) är!
+●
+Fryspunkt: Systemet finns i ordnad kristall där entropin är låg
+●
+Vätska: Systemet är mindre ordnad
+●
+Gas: Entropin är hög!
+Frågor
+4. Berätta kort om termodynamik och förklara vad isolerat, stängt och öppet
+system är.
+5. Vad kallas reaktioner som har negativ, positiv och noll på
+nettoenergiöverföringen? Berätta kort om dem!
+6. Beskriv termodynamikens fyra lagar i ordning och beskriv dem kort.
+Entalpi & entropi
+●
+Entalpi, H:
+-
+Entalpi är energiinnehållet.
+-
+I exergona (spontana) reaktioner minskar entalpin, då produkter har
+mindre entalpi och därmed avges energi till omgivningen.
+-
+∆𝐻 = 𝐻
+− 𝐻
+-
+-
+-
+-
+𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑡𝑒𝑟
+𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟
+Entalpiförändring (ΔH) visar om en reaktion är exoterm (ΔH < 0, energi
+avges) eller endoterm (ΔH > 0, energi tas upp).
+Entalpi i sin tur beräknas via formeln 𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉
+U (internenergi), P (tryck, pressure), V (volym)
+Intern energi (E eller U, både används) är alla energier som kan utbytas
+både kemiskt och fysiskt. Alltså består den av kinetisk energi (rotation,
+vibration och translation) och potentiell energi (energi i kemiska
+bindningar, både intra- och intermolekylära).
+●
+●
+-
+-
+-
+Starkare bindningar ger högre potentiell energi, vilket ökar U och
+därmed entalpin (H).
+U (och entalpi) är tillståndsfunktioner som alltså berör systemets
+nuvarande tillstånd men inte vilka reaktionsvägar systemet behövde ta
+för att uppnå detta tillstånd.
+∆𝐸 = 𝐸
+− 𝐸
+= 𝑊 + 𝑞
+-
+-
+-
+-
+-
+-
+-
+2
+1
+Energiändringen efter reaktionen, andra tillståndet och innan reaktionen.
+W är arbetet systemet utför (negativt) eller som utförs på systemet
+(positivt).
+q är värme som tillförs (positivt) eller avges (negativt) av systemet.
+Endoterm reaktion: Värme tillförs → q > 0 → intern energi och
+entalpi ökar.
+Exoterm reaktion: Värme avges → q < 0 → intern energi och entalpi
+minskar.
+w > 0: Arbete utförs på systemet → energi tillförs.
+w < 0: Systemet utför arbete → energi förloras.
+Entropi, S:
+-
+Entropi mäter oordningen i ett system.
+-
+Den totala entropin (omgivning + system) ökar alltid vid
+spontana reaktioner.
+-
+Entropin ökar naturligt och är spontant, dock är ordning
+icke-spontan och kräver energi. Det beror på olika
+drivkrafter såsom:
+-
+Större sannolikhet för hög entropi däremot ordning har
+lägre sannolikhet eftersom ordning kräver oftast energi medan
+oordning kan ske spontant utan externa faktorer. T.ex att
+bygga korthus kräver mycket energi.
+-
+Diffusion bidrar till oordning där partiklar diffunderar från en
+hög koncentrationsgradient till en låg, vilket ökar spridningen och
+därmed orsakar oordning då de blir mer slumpmässigt fördelade.
+-
+Brownsk rörelse beskriver diffusionen och hur slumpmässiga rörelser
+hos molekyler, som vattenmolekyler, påverkar omgivande partiklar, som
+damm eller pollen. Dessa partiklar får slumpmässiga kollisioner från
+vattenmolekyler i olika riktningar vilket ökar entropin och sprider
+partiklarna. Högre temperatur ger högre kinetisk energi till molekylerna,
+vilket resulterar i större entropi, exempelvis när socker löses upp
+snabbare i varmt vatten.
+Sätt att förändra entropi:
+-
+Temperatur bidrar till brownsk rörelse och diffusion.
+-
+-
+Öka antalet partiklar, ju fler desto högre entropi. Om reaktanten t.ex
+är endast en och kan bilda två produkter, då ökar entropin!
+Information är “negativ entropi”
+, alltså ordnat, det är omöjligt eller
+väldigt osannolikt att bokstäver formar informativ mening
+Frågor
+7. Förklara vad entalpi innebär, hur entalpiförändring beräknas, varför den är
+viktig, beskriv också entalpi med formel, förklara intern energiändring och hur
+den beräknas.
+8. Vad menas med att entalpi/internenergi är tillståndsfunktioner?
+9. Vad är entropi och vad händer med entropi vid spontana reaktioner?
+10. Varför är hög entropi vanligt i naturen?
+11. Hur kan entropin förändras?
+●
+Notera att entropi är irreversibel i naturen utan externa faktorer! Alltså ökar den
+ständigt, förblir konstant men aldrig mindre!
+Gibbs fria energi, G
+●
+Gibbs fria energi avslöjar om reaktionen sker spontant eller inte med hjälp av
+entropi respektive entalpi. ∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
+●
+∆
+G är Gibbs fria energi
+●
+∆ ∆ ∆
+H Entalpiförändring ( H > 0 endoterm, H<0 exoterm)
+●
+T är temperaturen
+●
+∆𝑆
+är entropiförändring.
+●
+Om ∆𝐻 ∆𝑆 ∆𝐺
+< 0 (exoterm) och även > 0 (ökad entropi) ger ett värde där < 0
+vilket tyder på en spontan reaktion. Eftersom exoterm reaktion är spontant men
+även att entropin ökar är spontant!
+●
+Om ∆𝐻 ∆𝑆 ∆𝐺
+> 0 (endoterm) och även < 0 (minskad entropi) ger ett värde där
+> 0 vilket tyder på en icke-spontan reaktion.
+●
+Vid smältning av is (is → vatten) ökar både entropin och entalpin, och
+processen blir spontan vid höga temperaturer. Vid frysning av vatten (vatten →
+is) minskar både entropin och entalpin, och processen blir spontan vid låga
+temperaturer.
+●
+Detta förklarar varför exergona reaktioner som avger energi har ∆
+G < 0 medan
+endergona har ∆ ∆
+G > 0 och jämviktsreaktioner har G = 0.
+●
+∆G beror på vilka ämnen som reagerar och deras koncentrationer.
+Standardförhållanden för ∆G (G₀) är vid 1 M koncentration, 25°C och 1 atm
+tryck och hjälper med att förstå reaktionernas benägenhet att ske. Detta är dock
+orealistiskt för biokemiska reaktioner, där 1 M protoner skapar en för sur miljö
+för biomolekyler som proteiner. Därför används pH 7 som referens istället och
+betecknas med primtecken, t.ex. ∆G₀
+'
+, Keq'
+, ∆H₀
+'
+, för att reflektera fysiologiska
+förhållanden.
+Frågor
+12. Vad är Gibbs fria energi? Förklara med hjälp av formeln och beskriv hur olika
+värden tolkas och varför.
+13. Vad är standardförhållanden, varför är de viktiga och varför används en annan
+variant för biokemiska reaktioner?
+●
+●
+●
+●
+●
+●
+●
+Kemiska jämvikter
+I kemiska jämviktsreaktioner sker fortfarande reaktioner, där produkter samt
+reaktanter bildas, dock är reaktionshastigheten konstant. Jämviktskonstanten
+kan beräknas som följande:
+𝐴 + 𝐵 ⇔ 𝐶 + 𝐷 −−> 𝐾 = [𝐶][𝐷]
+[𝐴][𝐵]
+Jämviktskonstanten ändras endast vid temperaturändring och används för att
+avgöra om en reaktion är i jämvikt, om koncentrationerna är kända.
+Ju längre bort från jämviktskonstanten desto större benägenhet för reaktion.
+Gibbs fria energi hänger ihop med jämviktskonstanten:
+∆𝐺0
+= 𝑅𝑇𝑙𝑛(𝐾)
+R = tryck, T= Temperatur, K = jämviktskonstant
+Om k > 1, är ∆G < 0, reaktionen är spontan, exergon
+Om k = 1, är ∆G = 0, systemet är i jämvikt
+Om k < 1, är ∆G > 0, reaktionen är icke-spontan, endergon
+●
+I biokemin är detta annorlunda eftersom temperaturen kan vara på cirka 37
+(kroppstemperatur), trycket varierar, koncentrationen är mycket lägre än 1 M
+och etc. Därför används annan formel som tar hänsyn till det. Cellerna måste
+ibland driva reaktioner bort från jämvikt, vilket kräver energi.
+●
+Många biokemiska reaktioner är ogynnsamma samt icke-spontana och har högt
+ΔG, vilket innebär att de kräver energi. För att driva dessa reaktioner kopplas
+de till spontana reaktioner med lågt ΔG, som ATP-hydrolys (ATP → ADP +
+Pi). Den frigjorda energin från ATP-hydrolys används för att driva
+ogynnsamma processer i cellen.
+Frågor
+14. Vad är unikt för kemiska jämvikter?
+15. Hur hänger Gibbs fria energi ihop med jämviktskonstanten? Beskriv
+förhållandet.
+16. Varför är biokemiska processer unika i förhållande till termodynamikens lagar
+och hur behandlas det? Ge ett exempel.