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Exergone und endergone Reaktion
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Chemische Reaktionen werden in Bezug darauf, ob sie innere Energie abgeben oder aufnehmen, als exergone oder endergone Reaktionen bezeichnet.
Exergone Reaktionen
Reaktionen, die spontan ablaufen, werden als exergon bzw. (oder "exergonisch") bezeichnet. Eine Reaktion ist dann exergon, wenn in deren Verlauf die freie Enthalpie G abnimmt, also wenn Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta} G
ein negatives Vorzeichen hat (Gegenteil: endergon; siehe unten).
Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta} G
ist gegeben durch folgende Beziehung (oft auch als Gibbs-Helmholtz-Gleichung bezeichnet):
Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta G=\Delta H - T\cdot\Delta S
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta} G
= Änderung der freien Enthalpie/ Gibbs-Energie
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta} H
= Änderung der Reaktionsenthalpie
- Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta} S
= Entropieänderung
Systeme streben stets dem Gleichgewichtszustand zu, weil hier die freie Enthalpie G den minimalen Wert (besser Betrag) annimmt. Hat ein System sein Gleichgewicht erreicht, verändern sich die Konzentrationen der Reaktionspartner nicht mehr, weil G auf keinem Weg weiter verringert werden kann, und es gilt Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta} G = 0 .
Endergone Reaktionen
Endergone Reaktionen laufen nicht freiwillig ab, Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta} G
hat ein positives Vorzeichen. Beispiel für einen endergonen Prozess: Die Entstehung eines Proteins in einer wässrigen Lösung von Aminosäuren. Diese Reaktion kann nur dann realisiert werden, wenn sie an andere, exergone Prozesse gekoppelt wird; in biologischen Systemen ist dies meist die Hydrolyse von ATP.
Da die Rückreaktion einer endergonen Reaktion stets exergon ist (und umgekehrt), sollten Proteine eigentlich spontan wieder in ihre Aminosäuren zerfallen. Allerdings ist die Geschwindigkeit der Zerfallsreaktion unter physiologischen Bedingungen so klein, dass sie vernachlässigt werden kann, das heißt Peptidbindungen sind in diesem Fall metastabil. Hier entscheidet also ein Argument aus der Reaktionskinetik.
Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta G}
kann mit Hilfe tabellierter Werte (Standardreaktionsentropien Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta S^{\circ}
und Standardreaktionsenthalpien Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta H^{\circ}
) relativ einfach für Standardbedingungen berechnet werden. Man spricht dann von Freier Standardreaktionsenthalpie Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): {\Delta G^{\circ}} . Diese bezieht sich auf Konzentrationen von 1 mol/L für alle Reaktionspartner und eine Temperatur von 25° C.
Deutung von Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta G = \Delta H - T\cdot\Delta S
- Dies ist keine Herleitung der Gibbs-Helmholtz-Gleichung!
Triebkraft für das Ablaufen einer chemischen Reaktion ist die Zunahme der Entropie S im Universum (vgl. 2. Hauptsatz der Thermodynamik).
Betrachtet man ein System, das keine Wärme mit der Umgebung austauschen kann (adiabatisches System), so lautet die einzige Bedingung, die an einen spontan ablaufenden, also einen exergonen Vorgang zu stellen ist, Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \Delta S_{\rm System} \ge 0 .
Erlaubt man dem System den Wärmeaustausch mit der Umgebung (diabatisches System), muss zusätzlich die Entropieänderung in der Umwelt berücksichtigt werden. Diese kann erfasst werden über die Enthalpieänderung des Systems Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \mathrm {\Delta H}
- Als negativer Beitrag, wenn die Reaktion exotherm ist, thermische Energie an die Umgebung verteilt wird und auf diese Weise in der Umwelt die Entropie zunimmt,
- als positiver Beitrag, wenn die Reaktion endotherm verläuft und die Entropie in der Umwelt abnimmt, weil thermische Energie im Reaktionsgefäß konzentriert wird.
Das System strebt Zustände mit minimaler freier Enthalpie G an, da dies gleichzeitig Zustände mit für System und Umgebung zusammen maximaler Entropie sind.
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