Podcast o Termochémia, Metabolizmus a Freóny

Kapitoly

Prekvapivé teplo

Exo a Endo

Pravidlá hry: Termochemické rovnice

Zákony, ktoré nepustia

Prečo sa pohár zohreje?

Bude to fungovať? Gibbsova energia

Anaeróbna glykolýza

Dve cesty pyruvátu

Krebsov cyklus

Továreň na ATP

Koľko energie získame?

Zázračná látka s háčikom

Zhrnutie a záver

Přepis

Tomáš: Väčšina ľudí si myslí, že ak musíš niečo zapáliť, napríklad drevo, znamená to, že do reakcie energiu dodávaš, a teda musí byť endotermická. Ale čo ak vám poviem, že je to presne naopak? Že oheň, ktorý nás hreje, je dokonalý príklad exotermickej reakcie, ktorá obrovské množstvo tepla práveže uvoľňuje?

Lucia: Presne tak! Tá malá iskra na začiatku je len počiatočný impulz, takzvaná aktivačná energia. A práve o týchto prekvapivých javoch sa budeme dnes rozprávať. Toto je Studyfi Podcast.

Tomáš: Dobre, Lucia, poďme na to od základov. Čo presne skúma termochémia?

Lucia: Termochémia je fascinujúca časť chémie, ktorá sa zaoberá tepelnými zmenami pri chemických reakciách. V podstate sleduje, či sa teplo počas reakcie uvoľňuje, ako pri horení, alebo naopak spotrebúva, ako napríklad pri fotosyntéze.

Tomáš: Takže máme dva základné typy reakcií – tie, čo hrejú, a tie, čo chladia?

Lucia: Zjednodušene povedané, áno. Tie, pri ktorých sa teplo uvoľňuje do okolia, voláme exotermické. A tie, ktoré si teplo z okolia berú, sú endotermické.

Tomáš: A s tým súvisí aj pojem entalpia, však?

Lucia: Áno, entalpiu, označovanú ako H, si môžeš predstaviť ako tepelný obsah látky. Je to v podstate energia ukrytá v jej chemických väzbách. A zmena tejto entalpie počas reakcie, ktorú značíme ako delta H, nám presne povie, koľko tepla sa uvoľnilo alebo spotrebovalo.

Tomáš: Takže ak je delta H záporné, znamená to, že produkty majú menej energie ako reaktanty a ten rozdiel sa uvoľnil ako teplo?

Lucia: Presne! To je exotermická reakcia. A ak je delta H kladné, produkty majú viac energie, ktorú si museli zobrať z okolia – to je endotermická reakcia.

Tomáš: Dobre, a ako toto všetko zapíšeme do chemickej rovnice? Nestačí len napísať reaktanty a produkty.

Lucia: Správna poznámka. V termochémii musíme byť precízni. V termochemickej rovnici vždy uvádzame hodnotu reakčného tepla, teda naše delta H. A čo je extrémne dôležité, musíme uviesť aj skupenský stav látok.

Tomáš: Prečo je skupenstvo také dôležité? Voda je predsa stále voda, či už je to para alebo ľad.

Lucia: No práveže nie je! Zmena skupenstva je sama o sebe energetický proces. Vyvariť vodu na paru spotrebuje oveľa viac energie, než ju len zohriať. Preto má reakcia inú hodnotu delta H, ak je produktom kvapalná voda, označená ako (l), a inú, ak je produktom plynná para, označená ako (g).

Tomáš: Rozumiem. Takže vždy musíme uvádzať tie malé písmenká v zátvorkách: (s) pre tuhú látku, (l) pre kvapalinu, (g) pre plyn a (aq) pre vodný roztok.

Lucia: Presne tak. Bez nich by bola termochemická rovnica neúplná a v podstate nesprávna.

Tomáš: Ako v každej správnej vede, aj tu asi platia nejaké zákony, však?

Lucia: Samozrejme. Prvý termochemický zákon, za ktorým stoja páni Lavoisier a Laplace, je krásne jednoduchý. Hovorí, že hodnota reakčného tepla priamej a spätnej reakcie je rovnaká, líši sa len znamienkom.

Tomáš: Čiže ak syntéza dvoch látok uvoľní 100 kilojoulov, tak rozklad produktu naspäť na tie dve látky presne 100 kilojoulov spotrebuje?

Lucia: Bingo! A druhý zákon, Hessov zákon, je pre chemikov ako taká super schopnosť. Umožňuje nám vypočítať reakčné teplo reakcií, ktoré sa ťažko merajú priamo.

Tomáš: Ako to funguje?

Lucia: Hessov zákon hovorí, že celkové reakčné teplo závisí iba od začiatočného a konečného stavu, nie od cesty, akou sa k nemu dostaneme. Ak sa teda reakcia skladá z viacerých krokov, celkové delta H je jednoducho súčtom delta H všetkých čiastkových reakcií.

Tomáš: Mám jednu praktickú otázku. Keď si do vody nasypem napríklad hydroxid sodný na čistenie odtoku, pohár sa poriadne zohreje. To je tiež termochémia v praxi?

Lucia: Absolútne! Rozpúšťanie je skvelý príklad. Prebiehajú tam dva procesy naraz. Po prvé, musí sa rozbiť kryštálová štruktúra tej tuhej látky, a to energiu spotrebúva – je to endotermický dej.

Tomáš: A ten druhý proces?

Lucia: Druhý proces je hydratácia, kedy sa na ióny z kryštálu začnú obaľovať molekuly vody. A tento proces, naopak, energiu uvoľňuje – je exotermický. Výsledný efekt závisí od toho, ktorý z týchto dvoch dejov je silnejší.

Tomáš: Takže pri hydroxide sodnom sa pri hydratácii uvoľní viac tepla, než sa spotrebuje na rozbitie kryštálu. A preto sa roztok zohreje.

Lucia: Presne tak. A keby si rozpúšťal napríklad kryštalickú sódu, roztok by sa naopak ochladil, pretože tam je energeticky náročnejšie rozbiť kryštál.

Tomáš: Posledná otázka. Existuje spôsob, ako predpovedať, či nejaká reakcia vôbec prebehne samovoľne?

Lucia: Áno, na to máme Gibbsovu energiu, označovanú ako G. Tá spája našu entalpiu, teda teplo reakcie, s ďalšou dôležitou veličinou – entrópiou. A entrópia je v podstate miera neusporiadanosti systému.

Tomáš: Takže vesmír má rád neporiadok?

Lucia: Presne tak, má rád chaos! Látky sa prirodzene snažia dostať do stavu s čo najnižšou energiou, teda nízkou entalpiou, a čo najvyššou neusporiadanosťou, teda vysokou entrópiou.

Tomáš: A ako nám Gibbsova energia povie, či reakcia prebehne?

Lucia: Ak je zmena Gibbsovej energie, delta G, záporná, reakcia je samovoľná. Ak je kladná, samovoľne neprebehne. A práve tu hrá úlohu teplota. Napríklad tepelný rozklad vápenca je pri izbovej teplote nerealizovateľný, jeho delta G je kladné. Ale ak ho zohreješ na tisíc stupňov, delta G sa stane záporným a reakcia zrazu beží ako po masle.

Tomáš: Fantastické. Takže teplo môže byť presne ten chýbajúci dielik puzzle, ktorý zmení nemožnú reakciu na uskutočniteľnú.

Tomáš: Takže to je jasné. Ale čo sacharidy? Tie sú pre telo hlavným zdrojom rýchlej energie, však? Ako presne ich metabolizmus funguje?

Lucia: Presne tak, Tomáš. Je to fascinujúci proces. Keď zjeme napríklad chlieb, škrob sa v tráviacom trakte rozloží až na jednoduchú glukózu. A táto glukóza potom vstupuje do buniek.

Tomáš: A v bunke sa to všetko začína. Čo je prvý krok?

Lucia: Prvým krokom je anaeróbna glykolýza. Deje sa v cytoplazme a nepotrebuje kyslík. Predstav si to ako rozdelenie šesť-uhlíkovej molekuly glukózy na dve polovice.

Tomáš: Takže vzniknú dve menšie, troj-uhlíkové molekuly?

Lucia: Presne. A tie sa ďalej menia až na kyselinu pyrohroznovú, alebo pyruvát. Čistý zisk z tohto procesu sú dve molekuly ATP. Nie je to veľa, ale pre niektoré organizmy to stačí.

Tomáš: Dobre, takže máme pyruvát a trochu energie. A čo ďalej?

Lucia: A tu prichádza križovatka. Ak bunka nemá kyslík, pyruvát ide cestou kvasenia. Napríklad mliečne kvasenie, ktoré cítime ako svalovicu po cvičení.

Tomáš: Alebo ho využívame aj pri výrobe jogurtov, však?

Lucia: Áno! A druhým typom je alkoholové kvasenie, za ktoré vďačíme kvasinkám. Vďaka nemu máme nadýchané pečivo... a pivo.

Tomáš: Takže kvasinky sú naši malí pomocníci v pekárni aj v pivovare. A čo tá druhá cesta na križovatke? Keď kyslík máme?

Lucia: Keď je kyslík prítomný, ideme do mitochondrií. Pyruvát sa tam premení na acetylkoenzým A. A ten vstupuje do... Krebsovho cyklu.

Tomáš: To znie ako nejaký metabolický kolotoč.

Lucia: Je to presne tak! Je to cyklický proces, kde sa acetylkoenzým A postupne rozkladá na oxid uhličitý. Hlavným cieľom je získať redukované koenzýmy plné energie.

Tomáš: A tie potom putujú kam? To si povieme nabudúce?

Lucia: Presne tak. Putujú do poslednej fázy, ktorou je dýchací reťazec. Ale to je téma na ďalšiu časť.

Tomáš: Dobre, Lucia, takže z Krebsovho cyklu máme tie energeticky nabité molekuly, NADH a FADH2. Ale to stále nie je ATP. Čo sa s nimi deje ďalej?

Lucia: Presne tak, Tomáš. Teraz prichádza veľké finále! Všetko sa to udeje v dýchacom reťazci na vnútornej membráne mitochondrií.

Tomáš: Dýchací reťazec... znie to ako nejaká štafeta.

Lucia: Je to skvelá analógia! Ide o komplex bielkovín, ktoré si podávajú elektróny z NADH a FADH2 ako štafetový kolík. A vieš, kto čaká na konci v cieli?

Tomáš: Kto?

Lucia: Kyslík! Ten si zoberie elektróny, spojí sa s vodíkom a vytvorí obyčajnú vodu. Ale energia z tohto prenosu poháňa tvorbu ATP. Tomu hovoríme oxidačná fosforylácia.

Tomáš: Aha! Takže to je ten hlavný zdroj energie. Koľko ATP z toho reálne dostaneme?

Lucia: Z jedného NADH získame asi 2,5 molekuly ATP. Z FADH2 je to o niečo menej, zhruba 1,5 ATP.

Tomáš: To je celkom slušný výnos! Ak by sme to zrátali úplne od začiatku, od jednej molekuly glukózy?

Lucia: Keď všetko spočítame, dostaneme sumárnu rovnicu: jedna glukóza plus šesť molekúl kyslíka nám dá šesť molekúl CO2, šesť molekúl vody a... asi 32 ATP!

Tomáš: Fantastické. Skutočná energetická továreň. Ale čo ak bunka nemá k dispozícii kyslík? Čo sa deje vtedy?

Tomáš: A tým sme pokryli naozaj veľa. Poďme na našu poslednú dnešnú tému — freóny. Okamžite si predstavím staré chladničky a laky na vlasy z osemdesiatych rokov.

Lucia: To je presne ono! Freóny sú halogénderiváty. Dôležité je, že majú v molekule aspoň dva halogény, a jeden z nich musí byť fluór.

Tomáš: A prečo boli tak populárne? Zdali sa byť ideálne?

Lucia: Presne. Boli nejedovaté, nehorľavé a veľmi prchavé. Super do chladiacich zariadení a ako hnací plyn v sprejoch. Proste látka snov.

Tomáš: Znie to, akoby tam bolo nejaké veľké "ale"...

Lucia: A bolo. Ich najväčší problém je obrovská stabilita a dlhá životnosť. Hromadia sa v atmosfére a pomaly stúpajú až do stratosféry.

Tomáš: A tam sa začne tá zlá časť, však?

Lucia: Áno. Hore ich rozbije silné UV žiarenie. Uvoľní sa voľný chlór, a ten je ako... ako taký malý torpédoborec pre ozónovú vrstvu.

Tomáš: Torpédoborec? To sa mi páči.

Lucia: Jeden atóm chlóru zničí tisíce molekúl ozónu. A presne toto viedlo k objaveniu ozónovej diery v 70. rokoch.

Tomáš: Desivé. Čím sa teda nahradili napríklad v tých sprejoch?

Lucia: Často jednoducho stlačeným dusíkom. Ten je prirodzenou súčasťou atmosféry, takže je úplne neškodný.

Tomáš: Takže, od pesticídov až po freóny, dnes to bola naozaj jazda. Kľúčové je, že aj látky, ktoré sa zdajú byť úplne bezpečné, môžu mať nečakané následky. Lucia, veľmi pekne ti ďakujem.

Lucia: Aj ja ďakujem, Tomáš. A dopočutia nabudúce!