Wann läuft eine Reaktion freiwillig ab?

Während chemischer Reaktionen findet immer ein Stoff- und auch ein Energieumsatz statt. Die meisten Reaktionen verlaufen unter konstantem Druck, so dass der Energieumsatz mithilfe der sog. Reaktionsenthalpie D H beschrieben werden kann.

Reaktionsenthalpie

Die Reaktionsenthalpie ist dabei die Differenz der Enthalpie des Anfangszustandes und des Endzustandes:

                                                        D H = H_Produkte – H_Edukte

Die Enthalpien für viele Stoffe sind für Standardbedingungen (Druck:1,013 bar und Konzentration:1 mol/l) in Formelsammlungen aufgelistet, diese kann man in obige Gleichung einsetzen.

Reaktionsbeispiel:  3H₂ + N₂ -> 2NH₃
D H = -92 KJ

Exotherme bzw. Endotherme Reaktion

Ist die Reaktionsenthalpie kleiner 0, so spricht man von einer exothermen Reaktion. Ist die Reaktionsenthalpie größer als 0, so spricht man von einer endothermen Reaktion.

Freie Reaktionsenthalpie

Die freie Reaktionsenthalpie ist dabei die Differenz der freien Enthalpie des Anfangszustandes und des Endzustandes:

                                                                D G = G_Produkte – G_Edukte

Die freien Enthalpien sind nicht für alle Stoffe tabelliert, so kann man diesen Wert über nachfolgende Gleichung berechnen:

                                                                   D G = D H – T D S

Reaktionsbeispiel:  3H₂ + N₂ -> 2NH₃
D H = -92,4 KJ
D S = – 198 J/K
(D S = (2·192,3 [=NH₃]) – (191,5 [=N₂] + 3·130,6 [=H₂])

Bei T = 298 K :
D G = – 92 kJ/mol -298 K·(-0,198 kJ/mol·K ) = – 33 kJ/mol

Exergone und endergone Reaktionen

• Ist die freie Reaktionsenthalpie kleiner 0, so läuft die Reaktion freiwillig (spontan) ab. Diese Reaktion nennt man exergonisch.
• Ist die freie Reaktionsenthalpie größer 0, so läuft die Reaktion nicht freiwillig ab, und man nennt diese Reaktion endergonisch

Wann läuft eine Reaktion freiwillig ab? – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter einer “freiwilligen” chemischen Reaktion?

Unter einer “freiwilligen” oder spontanen chemischen Reaktion versteht man eine Reaktion, die ohne Zufuhr von Energie von außen abläuft. Für den Ablauf einer solchen Reaktion ist die Änderung der Gibbs-Energie entscheidend.

2. Was ist die Gibbs-Energie?

Die Gibbs-Energie, auch Gibbs’sche freie Energie genannt, ist ein Maß für die Energiemenge, die bei einer chemischen Reaktion für Arbeit zur Verfügung steht.

3. Wie steht die Gibbs-Energie mit spontanen Reaktionen in Verbindung?

Wenn die Änderung der Gibbs-Energie (ΔG) eines Systems negativ ist, läuft die Reaktion in diesem System spontan ab.

4. Was bedeutet es, wenn die Gibbs-Energie positiv ist?

Wenn ΔG positiv ist, dann läuft die Reaktion nicht spontan ab, sondern benötigt Energiezufuhr von außen.

5. Welche Rolle spielt die Entropie in diesem Zusammenhang?

Die Entropie (S) ist ein Maß für den Grad der Unordnung oder Zufälligkeit eines Systems. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, ob eine Reaktion spontan abläuft.

6. Wie wird die Gibbs-Energie berechnet?

Die Gibbs-Energie wird mittels der Formel ΔG = ΔH – TΔS berechnet. Dabei bezieht sich ΔH auf die Änderung der Enthalpie, T ist die absolute Temperatur und ΔS die Änderung der Entropie.

7. Wie wirkt sich eine Temperaturerhöhung auf eine chemische Reaktion aus?

Eine Temperaturerhöhung führt dazu, dass mehr Moleküle die notwendige Energie für eine Reaktion besitzen. Je nach Zeichen von ΔH und ΔS kann eine Temperaturerhöhung dazu führen, dass eine Reaktion spontan wird.

8. Was passiert, wenn die Entropie einer Reaktion zunimmt?

Wenn die Entropie einer Reaktion zunimmt (ΔS positiv), dann wird die Reaktion wahrscheinlicher spontan ablaufen, vorausgesetzt die Enthalpie (ΔH) bleibt konstant oder verringert sich.

9. Was besagt das Zweite Gesetz der Thermodynamik in Bezug auf chemische Reaktionen?

Das Zweite Gesetz der Thermodynamik besagt, dass in einem geschlossenen System die Gesamtentropie niemals abnehmen kann. Daher laufen in der Natur Prozesse ab, die zur Zunahme der Gesamtentropie führen.

10. Können spontane Reaktionen rückgängig gemacht werden?

Im Prinzip ja, jedoch nur mit Zufuhr von Energie von außen. Im Allgemeinen sind spontane Reaktionen jedoch unumkehrbar.