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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問106-099【物理】論点：酸化還元反応 / 標準起電力・標準反応ギブズエネルギー

matsunoya

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問99

一般問題（薬学理論問題）【物理】

問106-099
Q. 呼吸鎖において2つの電子が移動して酸素から水が生成する反応は、次の二つの半反応⑴、⑵を組み合せた酸化還元反応⑶と考えることができる(E°はpH7、25 ℃における標準電位)。この反応のpH7、25℃における標準起電力Emf°と 標準反応ギブズエネルギーΔrG°の値の組合せとして正しいのはどれか。1つ選べ。
ただし、ファラデー定数は1.0×10^5 C・mol^(-1)の近似値を用いることとする。
1/2O2 + 2H⁺ + 2e⁻ ⇔ H2O　E° = +0.82V ...(1)　
NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻ ⇔ NADH　E° = -0.32V ...(2)　
1/2O2 + H⁺ + NADH → H2O + NAD⁺ ...(3)　

Emf°(V)｜ΔrG°(kJ・mol-1)

選択肢｜

1. +0.50｜-50
2. +0.50｜-100
3. +1.14｜-110
4. +1.14｜-230
5. +1.32｜-130
6. +1.96｜-260

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問99

こんにちは！薬学生の皆さん。
Mats & BLNtです。

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苦手意識がある人も、この機会に、薬学理論問題【物理】を一緒に完全攻略しよう！
今回は、第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問99、酸化還元反応 / 標準起電力・標準反応ギブズエネルギー を徹底解説します。

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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問106-099【物理】論点：酸化還元反応 / 標準起電力・標準反応ギブズエネルギー

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設問へのアプローチ｜

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問99

第106回薬剤師国家試験の問99（問106-099）では、酸化還元反応 / 標準起電力・標準反応ギブズエネルギー に関する知識を問われました。

標準反応ギブズエネルギー…ΔG… =… ΔH -TΔS…
呼吸鎖?…2e⁻…NADH
ファラデー定数…選択肢6…😭🤣🧮⏱️

でも、ここで焦ってはいけません。

大丈夫です。

今回、Grok 2 mini (beta) にお願いして、基本的な知識について mini 解説してもらいました。

■■Grok 2 mini (beta)

酸化還元反応における標準起電力 (Emf°) と標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) との関係

1. 基本的な概念の理解

  • 酸化還元反応:
    電子が一つの物質から別の物質に移動する反応です。例えば、鉄が酸素と反応して錆びるのは酸化還元反応です。

  • 標準起電力 (Emf°):
    標準起電力 (Emf°)は、標準状態（通常は25°C、1 atmの圧力、溶液中の物質濃度が1M）での電極間の電位差を測定したものです。単位はボルト（V）。

  • 標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°):
    標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°)は、標準状態での反応がどれだけのエネルギーを放出または吸収するかを示すもの。単位はジュール（J）またはキロジュール（kJ）。

2. Emf°とΔrG°との関係

これらのパラメーターの関係は、以下の式で示されます。

ΔrG° = -nFEmf°

  • n: 反応で移動する電子のモル数

  • F: ファラデー定数、約96,485 C/mol（クーロン毎モル）

  • Emf°: 標準起電力

3. 関係式の意味

  • 負の符号: ΔrG°が負なら反応は自発的です。Emf°が正なら、反応はエネルギーを放出して進みます。（自発的）

  • nの影響: 電子が多く移動する反応では、ΔrG°の変化は大きくなります。

4. 実際の例

  • 例:
    水素と酸素の反応で水を生成する場合、この反応では2モルの電子が移動します。

2H2 + O2 → 2H2O

この反応の標準起電力 (Emf°) が正なら、ΔrG°は負になり、反応は自発的に進みます。

水素と酸素が反応して水を生成する際の酸化還元反応を、電子の動きがわかるように半反応式を使って表します。

まず、反応を酸化と還元の二つの半反応に分けます。

酸化半反応 (水素の酸化):

H2 → 2H⁺ + 2e⁻

  • ここで、水素分子（H₂）が2つのプロトン（H⁺）と2つの電子（e⁻）に分かれます。水素は電子を失うことで酸化されます。

還元半反応 (酸素の還元):

O2 + 4e⁻ + 4H⁺ → 2H2O

  • 酸素分子（O₂）は4つの電子（e⁻）を受け取り、同時に4つのプロトン（H⁺）と結合して2分子の水（H₂O）を形成します。酸素は電子を得ることで還元されます。

全体の反応式:

しかし、元の反応式に合わせて電子の数を調整すると、還元半反応で受け取る電子を2つに減らすため、以下のように書き直します：

  • 酸化半反応 (そのまま):
    H2 → 2H⁺ + 2e⁻

  • 還元半反応 (電子数を半分に):
    1/2O2 + 2e⁻ + 2H⁺ → H2O

これらを組み合わせると、電子が打ち消し合い、全体の反応式が得られます：

H2 + 1/2O2 → H2O

しかし、化学反応式では通常、分数を使わないので、全体を2倍して:

2H2 + O2 → 2H2O

このようにして、電子がどのように移動するかが示されます。酸化還元反応では、電子が水素から酸素に移動し、この電子の流れがエネルギーの流れを生み出します。

5. 重要性

  • エネルギー変換:
    酸化還元反応は電池や燃料電池の基本原理であり、化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。
    標準起電力から反応のエネルギー収支を知ることができます。

  • 予測と設計:
    反応の自発性やエネルギー収支を予測することで、新しい化学反応やエネルギー変換システムを設計することが可能になります。

まとめ:

  • Emf° は電極間の電位差を示し、反応がどれだけの電気エネルギーを生み出すかを表します。

  • ΔrG° は反応がどれだけのエネルギーを放出または吸収するかを示します。

  • これらは直接的な関係があり、標準起電力が正なら反応は自発的に進み、エネルギーを放出します。

この関係を理解することで、化学反応のエネルギー変換をより深く理解し、利用することができます。

呼吸鎖における標準起電力 (Emf°) と標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) との関係

1. 呼吸鎖の基本

  • 呼吸鎖:
    細胞内で栄養素（主にグルコース）からエネルギーをATP（アデノシン三リン酸）に変換する過程の一部です。
    ミトコンドリアの内膜で起こります。

2. 酸化還元反応とエネルギー

  • 酸化還元反応:
    電子が一つの分子から別の分子に移動する反応。呼吸鎖では、NADHあるいはFADH2から電子が酸素に運ばれます。

3. 標準起電力 (Emf°) の役割

  • Emf°:
    各酸化還元ペアの電位差を示します。高いEmf°を持つペアは電子を放出しやすく、低いEmf°のペアは電子を受け取りやすいです。

4. 標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°)

  • ΔrG°:
    反応がどれだけのエネルギーを放出または吸収するかを示します。ΔrG°が負なら、反応は自発的に進み、エネルギーを放出します。

5. Emf°とΔrG°の関係

ΔrG° = -nFEmf°

  • n: 反応で移動する電子のモル数。

  • F: ファラデー定数。

  • Emf°: 標準起電力。

6. 呼吸鎖での応用

  • 電子伝達:
    呼吸鎖では、NADHあるいはFADH2から酸素への電子の流れが起こります。この流れは、各複合体のEmf°の違いによって推進されます。

  • エネルギー生成:
    電子が流れることでプロトン勾配が作られ、これがATP合成酵素によるATPの生成を駆動します。

7. 具体例での説明

  • NADHから酸素への電子移動:

    • NADH/NAD のEmf°は約-0.32V、O2/H2OのEmf°は約+0.82V。

    • この大きな電位差が、電子を酸素に向かって流す力となります。

    • これにより、ΔrG°が非常に負になり、大量のエネルギーが放出されます。

8. エネルギー変換

  • ATP生成:
    放出されたエネルギーは、ADPと無機リン酸を結合させてATPを生成するために使われます。

まとめ:

  • Emf° は電子の流れの方向とエネルギー変換の効率を示します。

  • ΔrG° はこのエネルギー変換がどれだけ効率的か、つまりどれだけのエネルギーが利用可能かを示します。

呼吸鎖では、これらの概念を使って、電子がどのように移動し、エネルギーがどのように保存・利用されるかを理解します。
高いEmf°の違いが、電子伝達を推進し、結果として大量のエネルギーがATPの形で保存されるのです。

NADHから酸素への電子移動は、呼吸鎖の重要なステップであり、ここではその電子の動きを半反応式で表します。

1. NADHの酸化半反応:

NADH → NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻

  • NADHが酸化されてNAD⁺になり、1つのプロトン（H⁺）と2つの電子（e⁻）を放出します。

2. 酸素の還元半反応:

1/2O2 + 2e⁻ + 2H⁺ → H2O

  • 酸素分子（O₂）が2つの電子（e⁻）と2つのプロトン（H⁺）を受け取り、水（H₂O）になります。

全体の反応式:

これらの半反応を組み合わせると、電子が打ち消し合います。NADHから酸素への電子移動を示す全体の反応式は以下のようになります：

NADH + 1/2O2 + H⁺ → NAD⁺ + H2O

この反応式では、NADHから放出された2つの電子が酸素に転移し、その結果、水が生成されます。この電子の流れが、ミトコンドリア内膜でのプロトン勾配を作り出し、ATP合成酵素によるATPの生成を駆動します。

論点を整理しておきましょう。

今回、GPT4oにお願いして、論点とアプローチ方法についてまとめてもらいました。

■■GPT4o

この問題は、呼吸鎖における酸化還元反応に関する標準起電力 (Emf°) と標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) を計算する問題であり、物理化学的な基礎知識と酸化還元反応の電気化学的概念が問われています。
以下に、論点を整理し、問題解法のアプローチを段階的に論述します。

論点1: 酸化還元反応の理解

まず、問題の中で示されている二つの半反応 (⑴ と ⑵) は、呼吸鎖における電子伝達の過程に対応しています。生化学的に言えば、NADH は電子供与体として働き、酸素が電子を受け取って水を生成します。この過程では、NADH が酸化されて NAD⁺ となり、酸素が還元されて水となる反応です。

以下が与えられた半反応です：

酸素の半反応 (酸化剤):

(1/2) O2 + 2H⁺ + 2e⁻ → H2O E° = +0.82 (V)

NADH の半反応 (還元剤):

NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻ → NADH E° = -0.32 (V)

論点2: 標準起電力 (Emf°) の概念

標準起電力 (Emf°) は、酸化還元反応において生成物と反応物の間に生じる電位差を表します。
この問題では、反応全体の Emf° を求めることが課題となっています。具体的には、酸化剤の標準電位 (E°) と還元剤の標準電位 (E°) の差を用いて、全反応の標準起電力 (Emf°) を計算します。

アプローチ方法：

  1. 酸化剤の電位: 酸化剤 (酸素) の半反応は E° = +0.82 (V) です。

  2. 還元剤の電位: 還元剤 (NADH) の半反応は E° = -0.32 (V) です。

  3. Emf° の計算:

  • 標準起電力は、酸化剤の標準電位と還元剤の標準電位の差を取ります。

  • 計算式は次の通りです:
    Emf° = E°(酸化剤) - E°(還元剤)
             = +0.82 (V) - (-0.32 (V)) = +1.14 (V)

この値が全体反応の標準起電力となります。

論点3: 標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) の計算

標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) は、化学反応において反応がどの程度自発的に進むかを表す指標です。
ΔrG° は標準起電力 (Emf°) を使って以下の式で求めることができます。

ΔrG° = -nFEmf°

  • ここで、- n は反応で移動する電子のモル数 (この反応では 2 モル)、

  • F はファラデー定数 (問題文では 1.0 × 10^5 (C/mol) と近似)、

  • Emf° は先ほど求めた標準起電力です。

アプローチ方法：

  1. 電子のモル数 (n):
    この反応では 2 つの電子が移動するので、 n = 2 とします。

  2. ファラデー定数 (F):
    問題文の条件に従って F = 1.0 × 10^5 (C/mol) を使用します。

  3. ΔrG° の計算:
    標準ギブズエネルギーは次の式で計算します。
    ΔrG° = -2 × 1.0 × 10^5 (C/mol) × 1.14 (V)
             = -2.28 × 10^5 (J/mol) = -228 (kJ/mol)

このようにして、標準反応ギブズエネルギーが -228 (kJ/mol) であることが分かります。

論点4: 選択肢の確認

最後に、問題文に示されている選択肢と計算結果を比較します。

  • 標準起電力 (Emf°) が +1.14 (V) であるものは選択肢 3 と 4 です。

  • 標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) が -228 (kJ/mol) に最も近い値は選択肢 4 です。

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問99

したがって、正しい組み合わせは
選択肢4: +1.14V｜-230 kJ/mol です。

解法のまとめ

この問題の解法には、次のような段階的アプローチが求められます。

  1. 酸化還元反応の理解:
    半反応の酸化剤と還元剤を特定し、標準電位を確認します。

  2. 標準起電力 (Emf°) の計算:
    酸化剤と還元剤の標準電位差を用いて全体反応の標準起電力を求めます。

  3. 標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) の計算:
    Emf° を用いて標準反応ギブズエネルギーを計算します。

  4. 選択肢の確認:
    計算結果と選択肢を比較して、正しい解答を選びます。

どうですか？

じわじわ来てますか🖐️😎🖐️

🖐️😎🖐️

楽勝です！　

はじめましょう。

薬剤師国家試験の薬学理論問題【物理】から酸化還元反応 / 標準起電力・標準反応ギブズエネルギー を論点とした問題です。

なお、以下の解説は、著者（Yukiho Takizawa, PhD）がプロンプトを作成して、その対話に応答する形でGPT4o & Copilot 、Gemini 1.5 Pro、またはGrok 2 (beta) が出力した文章であって、著者がすべての出力を校閲しています。

生成AIの製造元がはっきりと宣言しているように、生成AIは、その自然言語能力および取得している情報の現在の限界やプラットフォーム上のインターフェースのレイト制限などに起因して、間違った文章を作成してしまう場合があります。
疑問点に関しては、必要に応じて、ご自身でご確認をするようにしてください。

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第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問99

一般問題（薬学理論問題）【物理】

問106-099
Q. 呼吸鎖において2つの電子が移動して酸素から水が生成する反応は、次の二つの半反応⑴、⑵を組み合せた酸化還元反応⑶と考えることができる(E°はpH7、25 ℃における標準電位)。この反応のpH7、25℃における標準起電力Emf°と 標準反応ギブズエネルギーΔrG°の値の組合せとして正しいのはどれか。1つ選べ。
ただし、ファラデー定数は1.0×10^5 C・mol^(-1)の近似値を用いることとする。
1/2O2 + 2H⁺ + 2e⁻ ⇔ H2O　E° = +0.82V ...(1)　
NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻ ⇔ NADH　E° = -0.32V ...(2)　
1/2O2 + H⁺ + NADH → H2O + NAD⁺ ...(3)　

Emf°(V)｜ΔrG°(kJ・mol-1)

選択肢｜

1. +0.50｜-50
2. +0.50｜-100
3. +1.14｜-110
4. +1.14｜-230
5. +1.32｜-130
6. +1.96｜-260

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問99

■■GPT4o

物理｜問 106-099

■論点｜酸化還元反応 / 標準起電力・標準反応ギブズエネルギー

この問題は、呼吸鎖の酸化還元反応における標準起電力 (Emf°) と標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) を求める問題です。

1. 標準起電力 (Emf°) の計算

問題文で示されている二つの半反応の標準電位 (E°) を使用して、全体の標準起電力 (Emf°) を計算します。

半反応1:

(1/2) O2 + 2H⁺ + 2e⁻ → H2O   E° = +0.82 (V)

半反応2:

NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻ → NADH   E° = -0.32 (V)

全体の反応は次の通りです。
(1/2) O2 + H⁺ + NADH → H2O + NAD⁺

この酸化還元反応の標準起電力 (Emf°) は、酸化剤の標準電位と還元剤の標準電位の差で求めます。
Emf° = E°(酸化剤) - E°(還元剤)
ここで、酸化剤は酸素 (E° = +0.82V)、還元剤はNADH (E° = -0.32V) です。

Emf° = +0.82 (V) - (-0.32 (V))
Emf° = +0.82 (V) + 0.32 (V) = +1.14 (V)

2. 標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) の計算

次に、標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) は次の式を使用して計算します。
ΔrG° = -nFEmf°
ここで、

  • n は移動する電子のモル数 (この反応では2モル)、

  • F はファラデー定数 (問題文では 1.0 × 10^5 (C/mol))、

  • Emf° は標準起電力です。

計算すると、
ΔrG° = -2 × 1.0 × 10^5 (C/mol) × 1.14 (V)
ΔrG° = -2.28 × 10^5 (J/mol)
ΔrG° = -228 (kJ/mol)

3. 正しい選択肢の確認

選択肢の中で、標準起電力が +1.14V で、標準反応ギブズエネルギーが -228 kJ/mol に最も近い値を持つのは 選択肢4 です。

正解: 4. +1.14V｜-230 kJ/mol

このように、Emf° と ΔrG° の値を計算し、正しい選択肢を導き出しました。

■Lecture

■■GPT4o

論点解説　呼吸鎖における電子伝達と水の生成

呼吸鎖（電子伝達系）は、好気性生物においてエネルギー産生の中心的な役割を果たす生化学的経路です。
この過程は、ミトコンドリア内膜に存在し、酸化還元反応を介してエネルギーを生成します。呼吸鎖の最後のステップでは、酸素が電子を受け取り、水が生成される反応が行われます。この反応は、NADH などの電子供与体が持つ高エネルギー電子を酸素に渡すことで駆動されます。

以下、この反応を段階的に説明します。

1. 呼吸鎖の概要

呼吸鎖は、ミトコンドリアの内膜にある一連のタンパク質複合体（複合体I、II、III、IV）および可動な電子伝達体（ユビキノン、シトクロムC）によって構成されます。これらの複合体は、NADH や FADH₂ から高エネルギー電子を受け取り、それを段階的に酸素に伝達します。このプロセスによって、エネルギーが放出され、プロトン（H⁺）が膜を越えて移動し、プロトン勾配が形成されます。

プロトン勾配は、ATP 合成酵素を通して ATP の生成を駆動します。呼吸鎖の最終ステップでは、酸素が電子とプロトンを受け取って水を生成します。この反応は、生命のエネルギー収支において極めて重要です。

2. 酸化還元反応のステップ

呼吸鎖の最終反応は、酸素が電子を受け取り水が生成される酸化還元反応です。この反応は、以下の半反応に分解されます。

  1. NADH の酸化: 複合体Iにおいて、NADH が酸化されて NAD⁺ に戻り、2 つの電子を放出します。
    NADH → NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻

  1. 酸素の還元: 複合体IVでは、酸素分子が電子を受け取り、水を生成します。酸素が完全に還元されるためには 4 つの電子が必要ですが、ここでは酸素1/2分子に対する還元反応を扱います。
    (1/2) O2 + 2H⁺ + 2e⁻ → H2O

3. エネルギー変換の過程

呼吸鎖では、NADH や FADH₂ の酸化から生じた高エネルギー電子が各複合体を通じて次々に酸素に渡され、最終的に酸素が水へと還元されます。この電子の流れに伴ってエネルギーが放出され、そのエネルギーはミトコンドリア内膜を越えたプロトンポンプの駆動に使われます。プロトンが膜を越えて移動することで、ミトコンドリア膜にプロトン濃度の勾配が生じ、この勾配が ATP 合成酵素を駆動し、ADP から ATP が生成されます。

このプロセスのエネルギー効率は非常に高く、NADH が酸化されることで理論上 3 分子の ATP が生成されます。一方、FADH₂ は 2 分子の ATP を供給します。

4. 酸素の役割と水の生成

酸素は、呼吸鎖の最終的な電子受容体として不可欠です。酸素がない場合、電子の流れが止まり、呼吸鎖全体が停止します。これにより、ATP の生成も止まり、細胞はエネルギー不足に陥ります。酸素が電子を受け取ることで H₂O が生成されます。水の生成は以下の総合反応式で示されます。

(1/2) O2 + 2H⁺ + 2e⁻ → H2O

この反応は呼吸鎖の最後のステップであり、酸化還元反応によるエネルギーの放出がピークに達する部分でもあります。酸素が電子を受け取り、プロトンと結びつくことで水が生成されるため、エネルギーの放出が ATP 合成に利用されます。

5. 化学的エネルギーから ATP への変換

呼吸鎖全体を通じて、化学エネルギーは効率的に電気化学的エネルギーに変換されます。このエネルギーが、プロトン駆動力として膜を越えたプロトンの移動を促進し、最終的には ATP 合成を駆動します。このようにして、電子伝達系は NADH や FADH₂ に蓄えられたエネルギーを効率的にATPの形で蓄積し、細胞がそのエネルギーを利用できるようにします。

6. まとめ

呼吸鎖において、NADH の酸化により供給された電子が最終的に酸素に受け渡され、水が生成される過程は、エネルギー変換の中枢的役割を果たします。酸素が電子を受容することにより、エネルギーが放出され、そのエネルギーがプロトンポンプによってミトコンドリア内膜を越えたプロトンの移動に使われます。このプロトン勾配を利用して ATP が生成されるため、このプロセスは生命維持に不可欠です。

Ref.

  • Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2008). Molecular Biology of the Cell (5th ed.). Garland Science.

  • Lehninger, A. L., Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman.

  • Nicholls, D. G., & Ferguson, S. J. (2013). Bioenergetics 4. Academic Press.

論点解説
標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) と標準起電力 (Emf°) との関係について

1. 標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) の定義と意義

標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) は、化学反応が標準条件 (温度25℃、圧力1気圧、溶液濃度1M) 下でどれほど自発的に進行するかを示すエネルギーの尺度です。ΔrG° は負の値であれば、反応は自発的に進行し、正の値であれば反応は自発的に進行しません。化学反応におけるギブズエネルギーの変化は次の式で表されます。

ΔG = ΔH - TΔS

ここで、ΔH はエンタルピー変化、T は温度 (K)、ΔS はエントロピー変化を表します。標準状態では、これが ΔrG° となり、反応が進む方向とそのエネルギー変化の大きさを決定します。化学反応において ΔrG° は反応の駆動力を示し、負の ΔrG° は反応がエネルギー的に有利 (自発的) であることを意味します。

2. 標準起電力 (Emf°) の定義と意義

標準起電力 (Emf°) は、酸化還元反応の電気化学的な駆動力を示す指標です。酸化還元反応における電圧差は、反応物が生成物に変わる際に移動する電子が持つエネルギーを表しており、起電力が高いほど、電子が反応物から生成物へ容易に移動することを示します。

酸化還元反応の標準電位 (E°) は、電極における酸化剤と還元剤の間の電位差を示し、正の値は電子が酸化剤に移動することを意味し、負の値は電子が還元剤に戻ることを意味します。

3. ΔrG° と Emf° の関係

電気化学的な反応では、ΔrG° と Emf° の間には以下の関係式が成り立ちます。

ΔrG° = -nFEmf°

ここで、- n は移動する電子のモル数、

  • F はファラデー定数 ( F ≒ 9.648 × 10^4 (C/mol) )、

  • Emf° は反応の標準起電力 (V)。

この式は、酸化還元反応におけるギブズエネルギーの変化が、起電力と移動する電子のモル数、そしてファラデー定数によって決定されることを示しています。
電池や呼吸鎖などの酸化還元反応において、この式は非常に重要です。

4. Emf° と ΔrG° の物理的意味

この関係式は、電圧 (Emf°) が大きいほど、反応がより自発的であること (ΔrG° が負であること) を意味しています。
例えば、呼吸鎖のような生体内のエネルギー転送系では、NADH の酸化 (E° = -0.32 V) と酸素の還元 (E° = +0.82 V) により、水が生成され、全体の Emf° は正の値 (1.14 V) になります。
このため、ΔrG° は負の値となり、反応は自発的に進行することが示されます。この現象は、生体内でのエネルギー産生 (例えば ATP 合成) の基礎となっています。

5. まとめ

標準起電力 (Emf°) と標準反応ギブズエネルギー (ΔrG°) は、酸化還元反応のエネルギー効率と自発性を決定する重要な指標です。
Emf° が大きいほど、反応はよりエネルギー的に有利 (ΔrG° がより負) となり、酸化還元反応が自発的に進行することを意味します。これにより、電池や生体内のエネルギーシステムでのエネルギー伝達が説明されます。

Ref.

  • Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Physical Chemistry (9th ed.). Oxford University Press.

  • Bard, A. J., & Faulkner, L. R. (2001). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (2nd ed.). Wiley.

  • Lehninger, A. L., Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman.

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第108回薬剤師国家試験　問93

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第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問99

一般問題（薬学理論問題）【物理】

問106-099
Q. 呼吸鎖において2つの電子が移動して酸素から水が生成する反応は、次の二つの半反応⑴、⑵を組み合せた酸化還元反応⑶と考えることができる(E°はpH7、25 ℃における標準電位)。この反応のpH7、25℃における標準起電力Emf°と 標準反応ギブズエネルギーΔrG°の値の組合せとして正しいのはどれか。1つ選べ。
ただし、ファラデー定数は1.0×10^5 C・mol^(-1)の近似値を用いることとする。
1/2O2 + 2H⁺ + 2e⁻ ⇔ H2O　E° = +0.82V ...(1)　
NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻ ⇔ NADH　E° = -0.32V ...(2)　
1/2O2 + H⁺ + NADH → H2O + NAD⁺ ...(3)　

Emf°(V)｜ΔrG°(kJ・mol-1)

選択肢｜

1. +0.50｜-50
2. +0.50｜-100
3. +1.14｜-110
4. +1.14｜-230
5. +1.32｜-130
6. +1.96｜-260

第106回薬剤師国家試験　一般問題｜薬学理論問題【物理】　問99

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