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B978-3-437-42836-4.00010-2

10.1016/B978-3-437-42836-4.00010-2

978-3-437-42836-4

Abb. 10.1

[L253]

Energieprofile von exergonen und endergonen Reaktionen

Thermodynamik

ThermodynamikEine wichtige Bemerkung vorweg, weil sie eine beliebte Falschantwort darstellt: Aus allen Begriffen, die ihr zur Thermodynamik lesen werdet, lassen sich keine Aussagen hinsichtlich der Geschwindigkeit von Reaktionen ableiten.

Grundlegende Begriffe

Enthalpie

EnthalpieWir haben bereits bei der Besprechung der Gleichgewichtsreaktion gelernt, dass es Reaktionen gibt, bei denen Wärme frei wird. Woher kommt die Energie, die bei diesen exothermen Reaktionen in Form von Wärme frei wird? Sie ist in den Edukten selbst gespeichert. Diesen „Wärmeinhalt“ bezeichnet man als Enthalpie H.

Stoffe streben grundsätzlich nach einer niedrigen Enthalpie, einem energiearmen Zustand. Deshalb wird bei vielen Reaktionen, die uns aus dem Alltag bekannt sind, etwa bei Verbrennungen, Energie in Form von Wärme frei.

Man kann sich merken, dass man selbst auch immer nach einem „energiearmen“ Zustand strebt: Wenn man steht, will man sich setzen. Wenn man sitzt, will man liegen etc.
Für Reaktionen kann man auch die Differenz der Enthalpien der Produkte und Edukte ΔH berechnen. Nimmt im Verlauf einer Reaktion die Enthalpie der beteiligten Stoffe ab H negativ), so ist bei der Reaktion Wärme frei geworden und die ReaktionReaktionendothermeReaktionexotherme ist exothermexotherm.
Andererseits gibt es auch Reaktionen, bei denen ΔH positiv ist, also Wärme zugeführt wurde, sodass in diesem Fall die Reaktion endothermendotherm ist.
Übrigens: Die Einheit der Enthalpie ist kJ (Kilojoule)/mol.

Entropie

EntropieWenn Stoffe nach energiearmen Zuständen streben, wie kann es dann sein, dass es auch Reaktionen gibt, die, obwohl sie spontan ablaufen, Wärme aufnehmen (z. B. das Lösen bestimmter Salze in Wasser)? Es gibt noch etwas anderes, nach dem das Universum strebt: Nach größtmöglicher Entropie (Unordnung) S.
Sich hier in Details zu verlieren, ist nicht zielführend. Merkt euch einfach, dass ein System, wie die Küche eurer WG, nach größtmöglicher Entropie (Unordnung) strebt.

Gibbs freie Energie

Man kann sich der Frage, warum Reaktionen ablaufen, die Wärme verbrauchen, auch mit einer Formel nähern, die euch im nächsten Kapitel begegnen wird. Dazu braucht man zunächst einmal eine Größe, die das Bestreben einer Reaktion abzulaufen deutlich macht. Diese bezeichnet man als Gibbs freie EnergieGibbs freie Energie G).
Bei Reaktionen, die spontan, also gewissermaßen „freiwillig“, ablaufen, ist ΔG negativ. Diese Reaktionen heißen auch exergon. ΔG hat wie H auch die Einheit kJ/mol. Andere Reaktionen laufen nicht spontan ab. Bei ihnen ist ΔG positiv und die Reaktionen heißen endergon (Abb. 10.1).

Bei der Enthalpie H geht es um Temperaturen. Die Begriffe heißen endotherm und exotherm.

Bei der Gibbs-Energie fragt man sich, ob eine Reaktion exergon oder endergon ist.

Chemische Reaktionen mit G

Aktivierungsenergie und Energieprofile

AktivierungsenergieWenn Reaktionen exergon sind, heißt das, dass diese Reaktionen sofort stattfinden, sobald man die Edukte zusammenführt? Nein, denn auch wenn die Produkte einen niedrigeren Energiegehalt haben, muss man zumeist erst ein bisschen Energie, die Aktivierungsenergie (GA), ins System investieren, damit die Reaktion in Gang kommt. Dies wird einem recht schnell klar, wenn man sich die Energieprofile der Reaktionen anschaut.
Die Aktivierungsenergie, die im Profil der endergonen Reaktion angegeben ist, ist die Energie, die man über den Energiegehalt der Produkte hinaus aufgewendet hat. Sie ist identisch mit der Aktivierungsenergie für die exergone Rückreaktion.

Gekoppelte Reaktionen

ReaktiongekoppelteWas kann der Körper machen, wenn er eine endergone Reaktion ablaufen lassen will? Eine einfache Möglichkeit ist die Kopplung der endergonen Reaktion an eine exergone Reaktion.
Sind zwei Reaktionen miteinander gekoppelt, berechnet man die Gibbs-Energie der Gesamtreaktion, indem man die Gibbs-Energien beider Reaktionen addiert.
Nicht verwechseln: Die Gleichgewichtskonstanten der Reaktionen werden nach wie vor multipliziert.
Ist die Gibbs-Energie der Gesamtreaktion dann negativ, laufen beide Einzelreaktionen, also auch die endergone Reaktion, ab. Das beliebteste Beispiel für eine exergone Reaktion, die unser Körper zur Kopplung nutzt, ist die Hydrolyse von ATP, der bekanntesten Energiewährung der Zelle.

Zusammenfassung

  • Die Gibbs-Energie G gibt Auskunft darüber, ob eine Reaktion „freiwillig“ abläuft.

  • Die Gibbs-Energie wird durch die Änderung der Enthalpie H und der Entropie S im Laufe der Reaktion bestimmt.

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