耦合反应
AP 化学· 40 分钟阅读
1. 耦合反应的核心定义与有效性规则★★☆☆☆⏱ 8 min
耦合反应
两个或多个共用同一中间体的连续反应，其中一个高度放能的反应提供所需自由能，驱动吸能反应正向进行。
反应1（非自发）：A → B，ΔG = +22 kJ/mol；反应2（自发）：C → D，ΔG = -35 kJ/mol，二者无共用中间体。这两个反应能否耦合得到整体自发的过程？
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步骤1：验证两个反应是否存在共用中间体，本题中不存在共用中间体。
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步骤2：即使两个ΔG的加和为-13 kJ/mol，这两个无关过程之间也不存在自由能传递的机制。
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步骤3：最终结论：该配对过程不属于有效耦合反应，无法自发进行。
2. 耦合反应的总吉布斯自由能计算★★★☆☆⏱ 10 min
葡萄糖非自发生成6-磷酸葡萄糖的反应ΔG = +13.8 kJ/mol，ATP水解为ADP的反应ΔG = -30.5 kJ/mol，两个反应共用磷酸中间体。计算该耦合过程的总ΔG。
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步骤1：确认存在共用的磷酸中间体，因此耦合是有效的。
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步骤2：无需进行化学计量系数缩放，直接将两个ΔG数值相加。
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步骤4：最终结果：ΔG总 = -16.7 kJ/mol，负值证明该耦合过程是自发的。
测试你对求和规则的理解
反应X的ΔG = +42 kJ/mol，反应Y的ΔG = -55 kJ/mol，二者共用同一中间体。总ΔG为多少？
+97 kJ/mol
-13 kJ/mol
-42 kJ/mol
+13 kJ/mol
显示答案
-13 kJ/mol —直接将两个数值相加：+42 + (-55) = -13 kJ/mol，证明该耦合过程是自发的。
3. 生物体内的耦合反应：ATP作为通用能量货币★★★☆☆⏱ 9 min
4. 工业电化学耦合反应★★★★☆⏱ 7 min
每摩尔Fe₂O₃还原为金属铁的反应ΔG = +148 kJ/mol，每2摩尔碳燃烧生成CO的反应ΔG = -272 kJ/mol，两个反应共用气态氧中间体。计算该耦合炼铁过程的总ΔG。
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步骤1：确认存在共用的氧中间体，因此耦合是有效的。
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步骤3：最终结果：ΔG总 = -124 kJ/mol，证明炼铁过程在操作温度下可以自发进行。
5. 常见陷阱
错误做法:
对两个无共用中间体的无关反应的ΔG直接求和
原因:
不存在共用中间体意味着两个过程之间没有自由能传递的机制
正确做法:
在将ΔG相加判定过程为耦合过程之前，必须先确认存在共同中间体。
错误做法:
将不同温度下测得的ΔG数值直接求和
原因:
ΔG具有温度依赖性，条件不匹配会得到无效的总数值
正确做法:
仅将压强、温度、浓度条件完全一致的ΔG数值相加。
错误做法:
像加和ΔG一样直接将标准电极电势E°的数值相加
原因:
E°是强度性质，不随反应化学计量数缩放，因此不能直接求和
正确做法:
耦合过程合并前，先通过ΔG = -nFE°将E°转换为ΔG。
错误做法:
声称总ΔG=0的过程是有效的自发耦合反应
原因:
耦合过程需要净负ΔG才能以可观测的速率进行
正确做法:
确保ΔG的加和严格为负，才能判定耦合反应是自发的。
错误做法:
配平总耦合反应时忘记将ΔG数值乘以对应的摩尔系数
原因:
ΔG是广度性质，随反应化学计量数缩放
正确做法:
求和得到总ΔG之前，先将单个ΔG数值乘以对应的化学计量系数。
6. 速查表
规则 | 公式/要求 |
|---|---|
耦合有效性校验 | 必须至少共用一个反应中间体 |
总ΔG计算 | (\Delta G_{\text{total}} = n_1 \Delta G_1 + n_2 \Delta G_2) |
自发性条件 | (\Delta G_{\text{total}} < 0) |
生物标准条件 | (\Delta G^{\circ '})，pH=7，298 K |
真题中的出现
AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。
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下一步
掌握耦合反应是连接吉布斯自由能概念与实际应用的关键桥梁，你将在单元9的电化学部分遇到相关内容，包括利用外部电能驱动非自发氧化还原过程的电解池。该知识点也经常在AP考试自由作答题中与多步反应路径的活化能动力学题目结合出现，你在备考过程中会反复见到相关内容。请务必练习识别不同反应类型中的共用中间体，以在考试中避开最常见的干扰项。