자유에너지(ΔG)와 반응의 자발성 — 반응은 왜 저절로 일어날까

물은 항상 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 반대로 흐르게 하려면 펌프 같은 외부 에너지가 필요하죠. 화학반응도 비슷합니다. 어떤 반응은 아무 도움 없이 저절로 일어나고, 어떤 반응은 계속 에너지를 넣어줘야만 진행돼요. 이 차이를 숫자로 정리한 게 자유에너지입니다.

자유에너지(G)란

자유에너지(정확히는 깁스 자유에너지, G)는 어떤 계가 갖고 있는 에너지 중에서 실제로 일을 할 수 있는 부분을 말합니다. 반응이 일어나기 전과 후의 자유에너지 차이를 ΔG(델타 G)라고 쓰는데, 이 값의 부호 하나로 그 반응이 저절로 일어날 수 있는지(자발적인지) 판단할 수 있어요.

발열반응과 흡열반응

ΔG가 음수(ΔG < 0)면 발열반응(exergonic reaction)입니다. 반응이 진행되면서 자유에너지가 낮아지고, 그 차이만큼 에너지가 방출돼요. 이런 반응은 외부 도움 없이 저절로 일어날 수 있어서 자발적 반응이라고 부릅니다. 세포호흡으로 포도당을 분해하는 과정이 대표적인 발열반응이에요.

반대로 ΔG가 양수(ΔG > 0)면 흡열반응(endergonic reaction)입니다. 생성물의 자유에너지가 반응물보다 높아서, 반응이 일어나려면 외부에서 에너지를 계속 넣어줘야 해요. 광합성으로 포도당을 합성하는 과정, 아미노산을 이어 단백질을 만드는 과정이 여기 속합니다.

발열반응은 자유에너지가 내려가며 자발적으로 진행되고, 흡열반응은 외부 에너지가 있어야 진행됩니다 — 송쌤생명과학 자체 제작

쌤 한마디: "발열반응이니까 빨리 일어나겠네요"라고 생각하는 학생들이 있는데, 자발성과 반응 속도는 완전히 다른 이야기입니다. 종이가 타는 반응은 ΔG가 크게 음수인 발열반응이지만, 불을 붙이지 않으면 몇 년이 지나도 저절로 타지 않아요. ΔG는 "일어날 수 있는가"를 말해줄 뿐, "얼마나 빨리 일어나는가"는 활성화 에너지와 효소가 결정합니다 — 이건 다음 개념(6.4)에서 다룰 내용이에요.

평형에서 멀어져 있는 것이 살아있다는 것

반응이 계속 진행되다 보면 결국 정반응과 역반응의 속도가 같아지는 화학평형에 도달합니다. 평형 상태에서는 ΔG = 0이에요 — 더 이상 어느 쪽으로도 순 변화가 일어나지 않는, 에너지 관점에서 "바닥"에 도달한 상태입니다.

그런데 살아있는 세포 안의 반응은 대부분 평형에 도달하지 않아요. 반응물은 계속 공급되고 생성물은 계속 다음 반응에 쓰이면서 소모되기 때문에, 세포는 늘 평형에서 벗어난 상태를 유지합니다. 만약 세포 안의 어떤 반응이 정말로 평형에 도달해버리면, 그건 더 이상 에너지 흐름이 없다는 뜻이고 그 세포는 죽은 것과 다름없습니다.