Entropie, Enthalpie und freie Energie
1. Die Enthalpie einer Reaktion
Diese thermodynamische Größe einer Reaktion ist wahrscheinlich
am leichtesten zu verstehen: Damit meint man die Reaktionswärme,
die bei einer Reaktion frei oder gebraucht wird. Wenn die
Enthalpie negativ ist, wird Wärme frei.
2. Die Gibb`sche Energie oder freie Enthalpie
Dieser Energiebetrag gibt die tatsächlich nutzbare Energie
einer Reaktion an. Bei Redoxreaktionen ist das der
Energiebetrag, der freigesetzt wird, wenn die Reaktion in einem
galvanischen Element (s. u.)elektrische Energie freisetzt.
Beispiel: Die Bildung von Wasser verläuft exotherm, liefert also
Energie in Form von Wärme. Aber der tatsächlich nutzbare Anteil
des Energiebetrags, also die freie Enthalpie, ist geringer.
In Zahlen:
Wenn 1mol gasförmiges Wasser aus den Elementen gebildet wird,
wird ein Energiebetrag von -241 kJ in Form von Wärme frei.
Dieses ist die Enthalpie der Reaktion. Man könnte sie
beispielsweise in einem Kalorimeter messen.
Wenn man 1 mol gasförmiges Wasser aus den Elementen im
galvanischen Element synthetisiert (was die Energie bekanntlich
in Form von elektrischem Strom liefert), werden dagegen nur -228
kJ an elektrischer Energie geliefert. Diese ist die Gibb'sche
Energie oder freie Enthalpie.
Die
Ursache für die Differenz zwischen freier Energie und
Reaktionsenthalpie liegt in einem Energiebetrag, den die
Reaktionsentropie bildet, wenn man sie mit der absoluten
Temperatur multipliziert.
3. Die Entropie
Eine gängige und einfache Definition beschreibt die
Entropie als Maß für die Unordnung. Gase haben zum Beispiel eine
größere Entropie als flüssige, diese wieder eine größere als
feste Stoffe. Entropie, Enthalpie und freie Enthalpie werden
verknüpft in der Gibbs-Helmholtz-Gleichung:
DG = DH -T
DS (In Worten: Die freie Enthalpie DG
einer Reaktion ergibt aus der Differenz der Reaktionsenthalpie
DH vermindert um die
Reaktionsentropie DS multipliziert
mit der absoluten Temperatur T)
Bezogen auf das oben gewählte Beispiel der Synthese von Wasser
bedeutet dieses:
Die Reaktionsentropie ist negativ, weil bei der Bildung des
Wassermoleküls aus 2 Wasserstoffmolekülen und 1
Sauerstoffmolekül ( insgesamt 3 Moleküle) lediglich 2 Wassermoleküle enstehen. Die Teilchenzahl nimmt also ab, was immer einen
Ordnungsgewinn bedeutet, also eine negative Entropie. Hinzu
kommt noch der Entropieverlust durch die sehr feste
Sauerstoff-Wasserstoff-Bindung im Wassermolekül. Diese hat ihre
Ursache in der sehr hohen Differenz der Elektronegativität
beider gebundener Atome.
Folge für die freie Enthalpie der Synthese von Wasser:
Weniger Energie, als das System in Form von Wärme liefert, ist real als Arbeit nutzbar. Der Rest der freiwerdenden Energie in Form von
Wärme ist verloren.
4. Freiwillig ablaufende chemische Reaktionen
Die freie Reaktionsenthalpie gibt außerdem an, ob eine Reaktion
freiwillig verläuft. Nur eine Reaktion mit negativer Gibbscher
Energie verläuft freiwillig. Hier deutet sich die Beziehung zum MWG an. Denn die
Gleichgewichtskonstante gibt ja an, auf welcher Seite das
Gleichgewicht einer Reaktion liegt, in welche Richtung die
Reaktion also freiwillig verläuft.
Die Gibbsche Energie berechnet man u. a. über:
DG = - w (el)
wobei w (el) = n * F * U ist
oder über die Gibbs-Helmholtz-Gleichung s. o..
w(el) ist die elektrische Arbeit, die ein Reaktionssystem
leistet.
n ist die Zahl der bei einer Reaktion übertragenen Elektronen
F ist die Faraday-Konstante (96487 C)
U ist die Spannung, die ein galvanisches Element liefert.
Matthias Rinschen (C) 2006 - 2009, Mail: deinchemielehrer [at] gmx [dot] de, Impressum