Gekoppelte Reaktion
Synonyme: induzierte Reaktion, Stufenreaktion
Definition
Gekoppelte Reaktionen sind chemische Reaktionen, die aus mehreren Teilreaktionen bestehen.
Chemie
Sowohl in der Theorie, als auch in der Praxis (z.B. enzymatische Vorgänge im Körper) existieren viele Beispiele für Reaktionen, bei denen ein bestimmter Stoff A zu einem Stoff B umgesetzt wird und dieser wiederum sofort zu einem dritten Stoff C weiterreagiert.
| Teilreaktion 1: Teilreaktion 2: |
A ⇄ B B ⇄ C |
| Gesamtreaktion: | A ⇄ C |
Die Teilreaktionen sind miteinander gekoppelt - liegen hier Gleichgewichtsreaktionen vor, so kann man auf jede Teilreaktion das Massenwirkungsgesetz (MWG) anwenden. Löst man außerdem beide Ausdrücke nach [B] auf und setzt diese gleich, erhält man Kges.
| K1 = [B] ÷ [A] [B] = K1 · [A] |
K2 = [C] ÷ [B] [B] = [C] ÷ K2 |
Kges = K1 · K2 = [C] ÷ [A] |
Im der oben aufgestellten Gleichung stellt das Kges das Produkt der Gleichgewichtskonstanten der Teilreaktionen dar. Dadurch kann man die miteinander gekoppelten Teilreaktionen zu einer Gesamtreaktion zusammenziehen. Der Stoff B taucht dann in der Gleichung des Massenwirkungsgesetzes nicht mehr auf.
Eine derartige Kopplung von Systemen wird dann interessant, wenn z.B. Teilreaktion 1 einen kleinen K1-Wert hat und dadurch wenig B bereitgestellt wird. Weist hingegen Teilreaktion 2 einen großen K2-Wert auf, so wird der Stoff B unter der Bildung von C weitgehend aus dem Gleichgewicht entfernt. Aufgrund des Prinzip des kleinsten Zwangs verschiebt sich das Gleichgewicht von Teilreaktion 1, wobei B laufend nachgeliefert wird. Obwohl der K1-Wert verhältnismäßig klein ausfällt, läuft die Gesamtreaktion dennoch von A nach C.
Gibbs-Standardenergie
Ergänzt man beim obigen Beispiel die Gibbs-Standardenergie, dann ergibt sich folgendes:
| Teilreaktion 1: Teilreaktion 2: |
A ⇄ B B ⇄ C |
ΔG01 = + 10 kJ/mol ΔG02 = - 55 kJ/mol |
| Gesamtreaktion: | A ⇄ C | ΔG0ges = - 45 kJ/mol |
Die Triebkraft der Gesamtreaktion A ⇄ C berechnet sich aus der Summe der ΔG0-Werte der Teilreaktionen (da G eine Zustandsgröße ist). Die Reaktion läuft ab, da die Summe der ΔG0-Werte der Teilreaktionen negativ ist (ΔG0ges < 0). Aufgrund dessen wird die Energie von der Teilreaktion 2 auf die Teilreaktion 1 "übertragen". Das heißt, dass die exergone Teilreaktion 2 die moderat endergone Teilreaktion 1 mitzieht. Die Natur nützt diese Art der Reaktionskopplung, um im Stoffwechsel der lebenden Zelle nicht an endergonen Reaktionsschritten zu scheitern.
| Aufgrund von Kopplung der endergonen Teilreaktion 1 mit der (hier) stark exergonen Teilreaktion 2 wird auch die Gesamtreaktion exergon. |
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Literatur
- "Chemie für Mediziner" - A. Zeeck et. al., Urban & Fischer-Verlag, 7. Auflage