Ob eine Reaktion freiwillig abläuft, kann mithilfe der Änderung der freien Enthalpie ΔG bestimmt werden. Ist diese Änderung negativ, so läuft die Reaktion freiwillig ab und sie wird als exergonisch bezeichnet. Läuft eine Reaktion nur unter Zuführung von Energie von aussen ab, dann wird sie endergonisch genannt. Ihre freie Enthalpie ist dann positiv.
Gibbs-Helmholtz-Gleichung
Prinzipiell ist die Freiwilligkeit einer chemischen Reaktion abhängig von der Reaktionsenthalpie, also dem Energieumsatz bei konstantem Druck und der Änderung der Entropie bei gegebener Temperatur. Mit der Gibbs-Helmholtz-Gleichung kann die molare freie Reaktionsenthalpie für eine Reaktionsgleichung aus den Werten der molaren Reaktionsenthalpie und -entropie ermittelt werden:
ΔrGm=ΔrHm−T⋅ΔrSm
Die Reaktionsenthalpien und Reaktionsentropien kannst Du aus Tabellenwerken berechnen mit:
ΔrHm0=∑ν⋅ΔfHm0(Produkte)−∑ν⋅ΔfHm0(Edukte) und ΔrSm0=∑ν⋅Sm0(Produkte)−∑ν⋅Sm0(Edukte)
Hierbei wird vernachlässigt, dass Reaktionsenthalpie und Reaktionsentropie temperatur- und druckabhängig sind. Du erhältst also nur einen Näherungswert für ΔrGm. Für den Fall, dass ΔrGm<0, läuft die Reaktion exergonisch ab und falls ΔrGm>0, dann hast Du es mit einer endergonischen Reaktion zu tun. Wie Du an der Gibbs-Helmholtz-Gleichung erkennen kannst, ist ΔrGmvon der Temperatur abhängig. So kann eine endergonische Reaktion durch Hinzufügen von genügend Wärmeenergie freiwillig ablaufen.
Du kannst herausfinden, ob eine Reaktion exergonisch oder endergonisch verläuft, indem Du untersuchst, wie sich die Vorzeichen und Beträge der Enthalpie und der Entropie und der Temperatur ändern.
Eine Reaktion ist bei jeder betrachteten Temperatur exergonisch, wenn sie exotherm (ΔrHm<0) und unter Zunahme der Reaktionsentropie (ΔrSm>0) verläuft.
Eine Reaktion ist endergonisch, die endotherm (ΔrHm>0) und unter Abnahme der Reaktionsentropie (ΔrSm<0) verläuft.
Eine endotherme Reaktion (ΔrHm>0) mit positiver Reaktionsentropie (ΔrSm>0) läuft nur dann freiwillig ab, wenn die Reaktionstemperatur ausreichend gross ist, sodass der Einfluss der Reaktionsentropie überwiegt (∣T⋅ΔrSm∣>∣ΔrHm∣).
Eine exotherme Reaktion (ΔrHm<0) mit negativer Reaktionsentropie (ΔrSm<0) verläuft freiwillig, wenn die Reaktionstemperatur niedrig genug ist, sodass der Einfluss der Reaktionsenthalpie überwiegt (∣T⋅ΔrSm∣<∣ΔrHm∣).
Beispiel:
Die Reaktion von Natrium mit Wasser verläuft bei Raumtemperatur bekanntermassen sehr heftig. Ist dies auch bei -40 °C der Fall?
Zuerst musst Du die Reaktionsgleichung aufstellen:
Nun kannst Du die freie Reaktionsenthalpie berechnen. Achte auf die Einheiten!
ΔrGm=ΔrHm−T⋅ΔrSm
ΔrGm=−141molkJ−233K⋅0,077K⋅molkJ
ΔrGm=−159molkJ
Wie Du sehen kannst, wird die freie Enthalpie sogar noch negativer. Die Reaktion läuft also auch dann freiwillig ab.
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Dauer:
Teil 1
Gibbs-Energie: Gibbs-Helmholtz-Gleichung
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Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wie wird die Gibbs-Energie abgekürzt?
Mit dem Formelzeichen G. Oft siehts Du auch ΔG für die Änderung der Gibbs-Energie. Sowie Zusätze wie m für molar und r für Reaktion.
Was bedeutet exergonisch und endergonisch?
Als endergonisch bezeichnet man die Eigenschaft chemischer Reaktionen, nur unter Zufuhr von Energie zu verlaufen; damit sind die Produkte der Reaktion energiereicher als die Edukte. Gegenteilige Reaktionen werden als exergonisch bezeichnet.
Was ist die freie Enthalpie oder Gibbs-Energie?
Sie gibt an, ob eine chemische Reaktion spontan abläuft oder nicht. Wie die Entropie oder Enthalpie, gehört auch die Gibbs-Energie zu den Zustandsgrössen der Thermodynamik.
