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Freie Energie der Hydrolyse – freie Enthalpie – ChemieDie freie Energie, auch als freie Enthalpie bezeichnet, ist eine wichtige thermodynamische Größe. Sie gibt an, ob eine Reaktion spontan abläuft oder nicht. Aber was versteht man unter der freien Enthalpie genau? In diesem Lerntext wird die freie Enthalpie einfach erklärt. Show
Was ist die freie Energie und was ist freie Enthalpie? – DefinitionWas in der Chemie bei diesem Thema oft für Verwirrung sorgt, sind die vielen gebräuchlichen Bezeichnungen für ein und dieselbe Sache. Die freie Enthalpie wird nämlich oft auch als Gibbs-Energie, gibbssche freie Energie oder Gibbs-Potenzial bezeichnet. Manchmal trifft man sogar Bezeichnungen wie gibbsche freie Enthalpie oder Gibbs-Helmholtz-Enthalpie an. Diese Bezeichnungen sollen in der Chemie jedoch nach Empfehlung der IUPAC nicht mehr verwendet werden. Aus diesem Grund beschränken wir uns in diesem Text auf die Bezeichnungen Gibbs-Energie und freie Enthalpie. Die Definition der Gibbs-Energie/freien Enthalpie lautet wie folgt: Die Gibbs-Energie ist ein Maß für die Triebkraft eines chemischen Prozesses und wird mit dem Buchstaben $\ce{{\Delta}G°}$ abgekürzt. Nun wissen wir also, was $\ce{{\Delta}G°}$ ist. Aber wie berechnet man $\ce{{\Delta}G°}$? Man kann ihren Wert durch die Reaktionsenthalpie und die Reaktionsentropie bestimmen und nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung berechnen. Das sehen wir uns im nächsten Abschnitt genauer an. Freie Enthalpie – Berechnung durch die Gibbs-Helmholtz-GleichungWie berechnet man die freie Enthalpie? Die freie Enthalpie $\ce{ \Delta G°}$ gibt Auskunft über den Verlauf einer chemischen Reaktion. Die freie Enthalpie $\ce{ {\Delta}G°} $ unter Standardbedingungen setzt sich aus drei Komponenten zusammen: der Standardreaktionsentropie $\ce{ \Delta_R S°} $, der Temperatur $\ce{T}$ und der Standardreaktionsenthalpie $ \ce{\Delta_R H°} $. Die Gleichung sieht so aus: $ \ce{{\Delta}G° = \Delta_R H° - {\Delta}_R S° \cdot T }$ Die kleinen hochgestellten Nullen bedeuten, dass diese Gleichung nur bei Standardbedingungen, also bei einer Temperatur von $\ce{298 K}$ und einem Druck von $\ce{1 013 bar}$, gilt. Aber was ist die Reaktionsenthalpie genau? Die Reaktionsenthalpie gibt die Energieänderung bei der Reaktion an. Und was bedeutet Entropie? Die Reaktionsentropie zeigt die Tendenz an, freiwillig von einem geordneten zu einem ungeordneten System überzugehen. Und welche Einheit hat die freie Enthalpie? Die Einheit der freien Enthalpie ist Joule ($\ce{J}$). Aber was sagt die Gibbs-Helmholtz-Gleichung aus? Das sehen wir uns im nächsten Abschnitt genauer an. Was sagt die freie Enthalpie aus?An der freien Enthalpie kann man ablesen, ob eine Reaktion in einem geschlossenen System bei konstanter Temperatur und konstantem Druck spontan, also freiwillig, ablaufen kann oder nicht. Das sieht man am Vorzeichen. Der Zahlenwert der freien Enthalpie gibt nämlich an, wie weit der anfängliche Zustand vom Gleichgewicht entfernt liegt. Aber wann läuft eine Reaktion freiwillig ab? Reaktionen, die freiwillig ablaufen, werden als exergon bezeichnet. Sie besitzen eine negative freie Enthalpie $\ce{{\Delta}G°}$. $\ce {{\Delta}G°< 0}$ Und wann läuft eine Reaktion nicht freiwillig ab? Reaktionen, die nicht freiwillig ablaufen, werden als endergon bezeichnet. Sie haben eine positive freie Enthalpie $ \ce{{\Delta}G°} $. $\ce{{\Delta}G° > 0}$ Anstelle von exergon und endergon trifft man oft auch die Begriffe exergonische und endergonische Reaktion an. Und wann ist die Änderung der freien Energie $\Delta \text{G}$ einer biochemischen Reaktion gleich null? Dieser Fall tritt ein, wenn es sich bei der Reaktion um eine Gleichgewichtsreaktion handelt. Das System befindet sich dann also in einem chemischen Gleichgewicht. Die freie Energie der Hydrolyse $\ce{{\Delta}G°’}$ wird bei hydrolytischen Prozessen verwendet. Neben den Standardbedingungen ($\ce{298 K}$ und $\ce{1 013 bar}$) definiert man hier zusätzlich einen pH-Wert von $\ce{7}$. Dies wird durch den hochgestellten Strich gekennzeichnet. Wenn Wasser als Reaktant auftritt, definiert man die Konzentration des Wassers als $\ce{1 \frac{mol}{\ell}}$. Freie Enthalpie: Bezug zur Biologie – Anwendungsbeispiel HydrolyseBei der Hydrolyse handelt es sich um eine chemische Zersetzung, die unter Einfluss von Wasser abläuft. Sie stellt somit die Umkehrreaktion der Kondensationsreaktion dar, bei der Wasser freigesetzt wird. Die Hydrolyse bei Peptidbindungen oder die Hydrolyse von Fetten stellen wichtige Reaktionen im menschlichen Körper dar. Hydrolyse des EthylacetatsBei der Hydrolyse des Essigsäureethylester, auch als Ethylacetat bezeichnet, entstehen Essigsäure und Ethanol. In der folgenden Abbildung siehst du die freie Enthalpie $\ce{{\Delta}G°}$ und die freie Enthalpie $\ce{{\Delta}G°’}$ für die Hydrolyse des Ethylacetats im Vergleich. Die freie Enthalpie $\ce{{\Delta}G°}$ wurde dabei mithilfe der freien Standardbildungsenthalpien der einzelnen Verbindungen, Edukte und Produkte, berechnet. Die Einheit ist auch hier jeweils $\pu{ kJ//mol}$. Diese Werte können chemischen Wertetabellen entnommen werden. An den Ergebnissen für $\ce{{\Delta}G°}$ mit einem Wert von $\ce{-1 \frac{kJ}{mol}}$ und $\ce{{\Delta}G°’}$ mit $\ce{- 20\frac{kJ}{mol}}$ werden zwei Dinge klar: Die Hydrolyse ist exergon (läuft spontan ab) und sie ist energetisch günstig. Die folgende Tabelle über die freien Enthalpien/Gibbs-Energien verschiedener wichtiger Hydrolysereaktionen soll dies nochmals verdeutlichen.
Man sieht, dass alle Werte für die freie Energie der Hydrolyse exergone Reaktionen anzeigen. Diese Reaktionen laufen aber trotzdem nicht ohne Weiteres ab, da die Edukte kinetisch stabil sind. Das heißt, dass die Aktivierungsenergie (wird benötigt, um die Reaktion zu starten) hoch ist. Für den Ablauf dieser Reaktionen werden also Katalysatoren benötigt. In biologischen Prozessen spricht man dabei von Enzymen. PhosphatgruppenübertragungDie Phosphatgruppenübertragung spielt bei der Energienutzung im lebenden Organismus eine sehr wichtige Rolle. Dabei sind sogenannte gekoppelte Reaktionen von Bedeutung. Das sind chemische Reaktionen, die aus mehreren Teilreaktionen bestehen. Im menschlichen Körper werden energetisch ungünstige Reaktionen oft mit der Hydrolyse von ATP gekoppelt. Die Hydrolyse von ATP ist eine stark exergone Reaktion, die Energie liefert. Im menschlichen Körper kann diese in Form von ATP zwischengespeicherte Energie zum Beispiel für die endergone Synthese verschiedener Biomoleküle verwendet werden. Dabei werden endergone Reaktionen mit exergonen Reaktionen gekoppelt, sodass die Gesamtreaktion exergon bleibt. Die Fähigkeit einer chemischen Verbindung, Phosphatgruppen zu übertragen, wird auch als Phosphatgruppenübertragungspotenzial bezeichnet. Freie Energie der Hydrolyse – ZusammenfassungDie freie Energie der Hydrolyse wird bei hydrolytischen Prozessen verwendet. An den Werten der freien Energien der Hydrolyse sieht man, dass die entsprechenden Reaktionen durchgängig exergon sind. Da die Edukte aber kinetisch stabilisiert sind, braucht man für die Durchführung einer solchen Reaktion einen Katalysator. Hydrolysereaktionen werden für sogenannte gekoppelte Reaktionen verwendet, das heißt, dass endergone Reaktionen mit exergonen Reaktionen gekoppelt werden, damit die Gesamtreaktion exergon bleibt. Im menschlichen Körper findet dieser Vorgang über eine Energiespeicherung (ATP) statt. Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zu dem Thema Freie Energie der Hydrolyse, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß! Was ist die freie Energie?Freie Energie ist in der Pseudowissenschaft eine unerschöpflich zur Verfügung stehende Energiequelle, die etablierte Energiequellen wie fossile oder erneuerbare Energien ersetzen können soll. Die Existenz einer solchen Energiequelle ist weder belegt noch wissenschaftlich anerkannt.
Was ist die freie Energie Chemie?freie Energie, Formelzeichen F (im englischen Sprachraum A), eine thermodynamische Zustandsgröße, die die Fähigkeit eines Systems charakterisiert, Arbeit zu leisten. Sie ist definiert als F = U – TS, wobei U die innere Energie, T die Temperatur in K und S die Entropie bedeuten.
Was sagt die freie Enthalpie aus?Die freie Enthalpie zeigt uns durch ihr Vorzeichen an, ob eine Reaktion in einem geschlossenen System bei konstanter Temperatur und konstantem Druck spontan ablaufen kann oder nicht. Ihr Zahlenwert gibt an, wie weit der anfängliche Zustand vom Gleichgewicht entfernt liegt.
Wann kommt freie Energie?Die Voraussetzungen für die Anwendbarkeit des Minimumsprinzips der freien Energie sind also erfüllt, wenn ein System sich in einem starren Gefäß befindet (damit das Volumen konstant gehalten wird) und in thermischem Kontakt mit der Atmosphäre steht (damit die Temperatur konstant gehalten wird).
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Unterschied freie energie der teilchen
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