本文章內容基於萊斯大學 OpenStax 的 Anatomy and Physiology 2e,由夜黎重新編輯。(根據本書前言中的創用 CC BY 4.0 聲明)
原文傳送門:<2> The Chemical Level of Organization — 2.3 Chemical Reactions
索引傳送門:《解剖學和生理學2e》索引頁面
學習本章後,你將能夠:
- 區分動能和位能(勢能),以及放能〔exergonic〕和吸能〔endergonic〕化學反應
- 確定對人體機能重要的四種能量形式
- 描述化學反應的三種基本類型
- 確定影響化學反應速率的幾個因素
前言
生物體的特徵之一是新陳代謝〔metabolism〕,它是維持生物體健康和生命的所有化學反應的總和。 到目前為止,你所學到的鍵合過程是合成代謝〔anabolic〕化學反應; 也就是說,它們由較小的分子或原子形成較大的分子。 但請記住,新陳代謝可以朝另一個方向進行:在分解代謝〔catabolic〕化學反應中,較大分子成分之間的鍵斷裂,釋放出較小的分子或原子。 這兩種類型的反應不僅涉及物質交換,還涉及能量交換。
能量在化學反應中的作用
化學反應需要足夠的能量來使物質以足夠的精度和力量碰撞,從而打破舊的化學鍵並形成新的化學鍵。 一般來說,動能〔kinetic energy〕是為任何類型的運動物質提供動力的能量形式。 想像一下你 正在建造一堵磚牆。 將一塊磚舉起來並將其放置在另一塊磚上所需的能量就是動能——物質因其運動而擁有的能量。 一旦牆就位,它就會儲存勢能。 位能(勢能)〔potential energy〕是位置的能量,或者是物質由於其組成部分的位置或結構而擁有的能量。 如果磚牆倒塌,儲存的位能會隨著磚塊下落而以動能的形式釋放出來。
在人體中,位能儲存在原子和分子之間的鍵中。 化學能〔chemical energy〕是位能的形式,其中能量存儲在化學鍵中。 當這些鍵形成時,會投入化學能;當它們斷裂時,會釋放化學能。 請注意,化學能與所有能量一樣,既不會被創造,也不會被破壞。 相反,它從一種形式轉換為另一種形式。 當你出門遠足之前吃能量棒時,能量棒中含有的蜂蜜、堅果和其他食物會被你的身體分解並重新排列成分子,肌肉細胞將這些分子轉化為動能。
釋放能量多於吸收能量的化學反應被稱為放能〔exergonic〕。 能量棒中食物的分解代謝〔catabolism〕就是一個例子。 能量棒中儲存的一些化學能被吸收到身體用作燃料的分子中,但其中一些會被釋放——例如,作為熱量。 相反,吸收能量多於釋放能量的化學反應被稱為吸能〔endergonic〕。 這些反應需要能量輸入,產生的分子不僅存儲原始成分中的化學能,還存儲了推動反應的能量。 因為能量既不會產生也不會消失,那麼吸能反應所需的能量從何而來? 在許多情況下,它來自放能反應。
對人體機能重要的能量形式
你已經了解到化學能是通過化學鍵吸收、儲存和釋放的。 除了化學能之外,機械能、輻射能和電能對人體功能也很重要。
- 機械能〔mechanical energy〕儲存在機器、發動機或人體等物理系統中,直接為物質的運動提供動力。 當你將一塊磚塊舉到牆上時,你的肌肉會提供移動磚塊的機械能。
- 輻射能〔radiant energy〕是以波的形式發射和傳遞的能量,而不是物質。 這些波的長度各不相同,從長無線電波和微波到從衰變原子核發出的短伽馬波。 輻射能的全譜稱為電磁波譜〔electromagnetic spectrum〕。 身體利用陽光的紫外線能量將皮膚細胞中的化合物轉化為維生素 D,這對人體功能至關重要。 人眼進化到可以看到彩虹顏色的波長,從紅色到紫色,因此光譜中的這個範圍被稱為“可見光〔visible light〕”。
- 由細胞和體液中的電解質提供的電能〔electrical energy〕會導致電壓變化,從而有助於在神經和肌肉細胞中傳遞脈衝。
化學反應的特點
所有化學反應都以反應物〔reactant〕開始,反應物是進入反應的一種或多種物質的通用術語。 例如,鈉離子和氯離子是食鹽生產中的反應物。 由化學反應產生的一種或多種物質稱為產物(生成物)〔product〕。
在化學反應中,反應物的成分(涉及的元素和每種元素的原子數量)都存在於產物中。 同樣,產物中不存在反應物中不存在的物質。 這是因為化學反應遵循質量守恆定律,該定律規定物質不能在化學反應中被創建或被破壞。
正如你可以用 2 + 7 = 9 等方程表達數學計算一樣,你可以使用化學方程來顯示反應物如何變成產物。 與數學一樣,化學方程式從左向右進行,但它們使用一個或多個箭頭來指示化學反應進行的方向,而不是使用等號。 例如,一個氮原子和三個氫原子生成氨的化學反應可寫為 N + 3H→NH3。 相應地,氨分解成其組分可寫為 NH3→N + 3H。
請注意,在第一個示例中,一個氮 (N) 原子和三個氫 (H) 原子鍵合形成化合物。 這種合成代謝反應〔anabolic reaction〕需要能量,然後將能量儲存在化合物的鍵中。 此類反應稱為合成反應〔synthesis reactions〕。 合成反應是一種化學反應,導致以前分離的組分合成(連接)(圖 2.12a)。 同樣,氮氣和氫氣是合成反應中的反應物,生成氨作為產物。 合成反應的一般方程式是A + B→AB。
在第二個例子中,氨被分解代謝成更小的成分,並且釋放了儲存在其鍵中的勢能。 此類反應稱為分解反應〔decomposition reaction〕。 分解反應是一種化學反應,可將較大的物質分解〔breaks down〕或“分解〔de-composes〕”為其組成部分(見圖 2.12b)。 分解反應的一般方程式為:AB→A+B。
交換反應〔exchange reaction〕是一種化學反應,其中同時發生合成和分解,化學鍵形成和斷裂,化學能被吸收、儲存和釋放(見圖2.12c)。 交換反應最簡單的形式可能是:A+BC→AB+C。 請注意,為了生產這些產物,B 和 C 必須在分解反應中分解,而 A 和 B 必須在合成反應中結合。 更複雜的交換反應可能是:AB+CD→AC+BD。 另一個例子可能是:AB+CD→AD+BC。
理論上,任何化學反應在適當的條件下都可以向任一方向進行。 反應物可以合成為隨後分解的產物。 可逆性也是交換反應的一種性質。 例如,A+BC→AB+C 可以反轉為 AB+C→A+BC。 化學反應的可逆性用雙箭頭表示:A+BC⇄AB+C。 儘管如此,在人體內,許多化學反應確實以可預測的方向進行,無論是一個方向或另一個方向。 你可以將這條更可預測的路徑視為阻力最小的路徑,因為通常情況下,替代方向需要更多能量。
影響化學反應速率的因素
如果將醋倒入小蘇打中,反應會立即發生; 混合物會起泡並發出嘶嘶聲。 但許多化學反應需要時間。 有多種因素影響化學反應的速率。 然而,本節將僅考慮人類功能中最重要的部分。
反應物的性質
如果化學反應要快速發生,反應物中的原子必須能夠輕鬆地相互接觸。 因此,反應物的表面積越大,它們就越容易相互作用。 當你將一塊奶酪放入口中時,你會在吞嚥之前先咀嚼它。 除此之外,咀嚼會增加食物的表面積,使消化化學物質更容易接觸到食物。 一般來說,氣體往往比液體或固體反應得更快,這也是因為分離物質顆粒需要能量,而根據定義,氣體的顆粒之間已經有空間。 類似地,分子越大,總鍵數就越多,因此涉及總鍵數較少的較小分子,預計反應速度將更快。
此外,請記住,某些元素比其他元素更具反應性。 涉及高反應性元素(如氫)的反應比涉及較少反應性元素的反應進行得更快。 涉及氦等穩定元素的反應根本不可能發生。
溫度
幾乎所有化學反應在較高溫度下都會以更快的速度發生。 回想一下,動能是物質運動的能量。 次原子粒子〔subatomic particles〕的動能隨著熱能的增加而增加。 溫度越高,粒子移動越快,它們接觸並發生反應的可能性就越大。
濃度和壓力
如果只有幾個人在俱樂部跳舞,他們就不太可能互相踩到對方的腳趾。 但隨著越來越多的人開始跳舞——尤其是當音樂很快時——很可能會發生碰撞。 化學反應也是如此:給定空間內存在的粒子越多,這些粒子相互碰撞的可能性就越大。 這意味著化學家不僅可以通過增加粒子濃度(空間中粒子的數量)來加速化學反應,還可以通過減少空間體積(這會相應增加壓力)來加速化學反應。 如果該俱樂部有 100 名舞者,而經理突然將聚會轉移到一個一半大小的房間,則舞者在新空間中的注意力會加倍,發生碰撞的可能性也會相應增加。
酶和其他催化劑
自然界中的兩種化學物質要發生反應,首先必須接觸,而這種接觸是通過隨機碰撞發生的。 因為熱量有助於增加原子、離子和分子的動能,從而促進它們的碰撞。 但在體內,極高的熱量(例如發高燒)會損害身體細胞並危及生命。 另一方面,正常體溫不足以促進維持生命的化學反應。 這就是催化劑發揮作用的地方。
在化學中,催化劑〔catalysts〕是一種可以提高化學反應速率而本身不發生任何變化的物質。 你可以將催化劑視為化學變化的助手。 它們有助於增加原子、離子和分子碰撞的速率和力量,從而增加其價殼層電子相互作用的可能性。
人體內最重要的催化劑是酶〔enzymes〕。 酶是由蛋白質或核糖核酸 (RNA) 組成的催化劑,本章稍後將討論這兩者。 與所有催化劑一樣,酶的工作原理是降低化學反應所需的能量水平。 化學反應的活化能〔activation energy〕是破壞反應物中的鍵所需的“閾值〔threshold〕”能量水平。 一旦這些鍵被打破,新的排列就會形成。 如果沒有酶作為催化劑,則需要投入更多的能量來引發化學反應(圖 2.13)。
酶對於身體的健康運作至關重要。 例如,它們有助於食物的分解及其轉化為能量。 事實上,體內的大部分化學反應都是由酶促進的。
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2023/09/05 發佈本文
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