Exergone und endergone Reaktionen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um exergone und endergone Reaktionen. Der Film gehört zur Reihe „Reaktionen“. Als Vorkenntnisse solltest du Grundbegriffe der Thermodynamik beherrschen, Zustandsgrößen, exotherm, endotherm. Am Ende des Videos solltest du ein klares Verständnis über die Begriffe „exergon“ und „endergon“ besitzen. Der Film besteht aus sechs Abschnitten: Kohlebrände und glitzerndes Gold, Exotherm und endotherm, Von der Enthalpie zur freien Enthalpie, Miteinander oder gegeneinander, Wie macht das die Biologie? und Zusammenfassung. Kohlebrände und glitzerndes Gold: Vielleicht wusstet ihr es noch nicht, aber in Lagerstätten kann sich Kohle im Flöz spontan entzünden. Gold hingegen bringt man nicht zum Brennen. Stoffe reagieren oder sie reagieren nicht. Mit der Reaktivität von Stoffen befasst sich die chemische Thermodynamik. Dabei hat die Thermodynamik vor allem zwei Fragen zu beantworten: Findet eine chemische Reaktion statt? Und zweitens: Wie muss man die Bedingungen wählen, damit die Reaktion stattfindet? Exotherm und endotherm: Fast jede chemische Reaktion ist durch Wärmeabgabe oder durch Wärmeaufnahme begleitet. Zum Beispiel reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Bei dieser Reaktion wird Wärme frei, wir schreiben DELTA RH < 0. Zur Bezeichnung kommen wir später. Anders sieht es bei der Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aus. Hier wird Wärme aufgenommen, wir schreiben DELTA RH > 0. Achtet bitte auf die Vorzeichen. Oben: abgegeben, kleiner null. Unten: aufgenommen, größer null. DELTA RH bedeutet Reaktionsenthalpie. Die Reaktionsenthalpien der beiden Reaktionen haben verschiedene Vorzeichen. Die erste Reaktion nennt man exotherm, die zweite Reaktion endotherm. Grafisch stellt man das folgendermaßen dar: Im ersten Fall liegt die Gesamtenthalpie von Kohlenstoff und Sauerstoff über der Enthalpie von Kohlenstoffdioxid. Die Reaktionsenthalpie DELTA RH ist kleiner als null. Bei der zweiten Reaktion liegt die Gesamtenthalpie von Wasserstoff und Sauerstoff über der Energie von Wasser. Die Reaktionsenthalpie DELTA RH ist hier größer als null. Im ersten Fall findet eine Wärmeabgabe statt, im zweiten Fall eine Wärmeaufnahme. Links nennen wir die Reaktion exotherm, rechts endotherm. Von der Enthalpie zur freien Enthalpie: Die Enthalpie wird im Zusammenhang mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik eingeführt. Wir haben ein Gefäß mit einem Gas, auf dem sich oben ein beweglicher Kolben befindet. Dem Gas wird Wärme zugeführt, seine Temperatur steigt. Dadurch erhöht sich seine innere Energie, es kommt zu einer Temperaturerhöhung. Das bedeutet, dass die innere Energie des Gases steigt. Ein Teil der Energie kann dafür verrichtet werden, dass das System Arbeit verrichtet. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik geht Energie weder verloren, noch wird sie erschaffen. Die Wärmeenergie, Q, wird umgewandelt in eine Erhöhung der inneren Energie, DELTA U, und in mechanische Energie, W. Mechanische Energie, die der Arbeit, W, entspricht, kann man formulieren als F mal h. h ist die Hubhöhe des Kolbens während der Erwärmung. Die Kraft, F, kennen wir nicht. Wir wissen aber, dass der Druck, P, als F durch A, das heißt die gedrückte Fläche, definiert ist, umgestellt F ist gleich P mal A. Somit erhalten wir W ist gleich P mal A mal h oder P mal DELTA V. Denn A mal h ist ja gerade DELTA V. Die verrichtete Arbeit, W, ist somit P mal DELTA V. Für die Veränderung der inneren Energie haben wir DELTA U geschrieben. Die zugeführte Wärmemenge ist Q. Wir legen fest, dass bei diesem Prozess P unverändert bleibt, P gleich konstant. Dann schreiben wir DELTA H ist gleich DELTA U plus P mal DELTA V. Sinn hat das nur, wenn auch die Temperatur gleich gehalten wird, T gleich konstant. Somit haben wir eine Zustandsfunktion für die Enthalpie erhalten. Die Veränderung der Enthalpie, DELTA H, ist gleich der Veränderung der inneren Energie DELTA U plus Druck P, multipliziert mit einer Veränderung des Volumens DELTA V. Schreiben wir H mit dem Index null, so haben wir die Standardenthalpie. Auch hier betrachten wir nur Veränderungen, daher DELTA. Standardbedingungen bedeutet: Druck 1013 hPa und Temperatur 298 K. DELTA RH hatten wir schon, ist die Reaktionsenthalpie und DELTA RH0 ist, na klar, die Standardreaktionsenthalpie. Ist die Standardreaktionsenthalpie kleiner als null, so ist die Reaktion exotherm. Bei positiver Standardreaktionsenthalpie ist es eine endotherme Reaktion. Exotherm bedeutet Wärmeabgabe, endotherm bedeutet Wärmeaufnahme. Der erste Fall ist günstig, man sagt, die Reaktion läuft spontan ab. Der zweite Fall ist nicht günstig, man sagt hier, die Reaktion läuft nicht spontan ab. Was bedeutet spontan? Spontane Reaktionen laufen von alleine ab. Und jetzt eine Verbindung mit ihren seltsamen Eigenschaften. Es ist AgNO2 Silbernitrit. Wir stellen uns einmal vor, dass sich diese Verbindung aus den Elementen bildet. Die Standardreaktionsenthalpie hat keinen hohen Betrag, aber sie ist dennoch negativ. Silbernitrit müsste demzufolge hinsichtlich des Zerfalls stabil sein. Aber ach, dennoch zerfällt Silbernitrit langsam. Wo ist die Ursache für diesen Zerfall? Offensichtlich gibt es außer der Enthalpie noch eine weitere, die Reaktion kennzeichnete Zustandsgröße. Tatsächlich, das ist die Entropie, DELTA S. Die Reaktionsenthalpie, DELTA RS0, kennzeichnet die Unordnung. Für thermodynamischen Prozesse geht die Tendenz immer von Ordnung zu Unordnung. Auf der rechten Seite der Gleichung herrscht Ordnung, denn dort haben wir einen Feststoff. Auf der linken Seite der Gleichung herrscht Unordnung, denn hier haben wir es zweifach mit Gasen zu tun, mit Stickstoff und Sauerstoff. Wir haben gesehen, dass die angegebene Reaktion durch die Enthalpie als spontan beschrieben wird. Eine neue, verbesserte Zustandsgröße wird folgendermaßen definiert: Sie heißt DELTA RG0. Sie ist gleich DELTA RH0 minus T mal DELTA RS0. Diese Zustandsgröße nennt man freie Enthalpie. Die Gleichung, durch die sie definiert wird, nennt man Gibbs-Helmholtz-Gleichung. Betrachtet man neben der Enthalpie auch noch die Entropie, so erhält man für die neue Zustandsgröße, die freie Enthalpie, einen positiven Wert. Das ist möglich, weil bei der Bildung von Silbernitrit aus den Elementen die Unordnung fällt. Das bedeutet, dass sich Silbernitrit nicht bilden kann. Umgekehrt: Es zerfällt in die Elemente. Wie bei der Enthalpie haben wir auch bei der freien Enthalpie zwei Fälle zu betrachten. Ist sie kleiner als null, so nennt man die Reaktion exergon. Ist die freie Enthalpie größer als null, so spricht man von einer endergonen Reaktion. Exergone Reaktionen laufen spontan ab, endergone Reaktionen nicht. Das bedeutet, dass eine exergone Reaktion von allein abläuft, eine endergone Reaktion nicht. Miteinander oder gegeneinander. Kehren wir zurück zur Gibbs-Helmholtz-Gleichung. Schauen wir unter A den Fall an, wo die Reaktionsenthalpie kleiner null und die Reaktionsentropie größer null ist. Dann ist die freie Reaktionsenthalpie kleiner als null. Ein Beispiel dafür ist die Verbrennung von Kohle. Bemerkenswert ist, dass das Ergebnis nicht von der Temperatur abhängt. Betrachten wir unter B den Fall, wo die Reaktionsenthalpie kleiner als null ist und die Reaktionsentropie ebenfalls. Hier ist die freie Enthalpie kleiner als null, wenn die Temperatur relativ niedrig ist. Sie ist jedoch größer als null, das heißt, die Reaktion ist endergon, wenn die Temperatur hoch ist. Schauen wir uns unter C den umgekehrten Fall an: Die Reaktionsenthalpie ist größer als null, die Reaktionsentropie ebenfalls. Hier ist die Reaktion exergon nur bei hohen Temperaturen und sie wird endergon, wenn die Temperaturen relativ niedrig sind. Ein Beispiel ist die Zerlegung von Wasser in die Elemente. Und D, der letzte Fall: Die Reaktionsenthalpie ist größer null, die Reaktionsentropie kleiner als null. Die freie Reaktionsenthalpie ist hier unabhängig von der Temperatur größer als null. Ein schönes Beispiel für solch eine Reaktion ist die Oxidation von Gold. Wie macht das die Biologie? Schauen wir uns einmal diese Hibiskusblüte an. Die Natur baut auf, das heißt, die Entropie sinkt. Das bedeutet aber, dass die freie Enthalpie steigt. Solche Reaktionen sind endergon, nicht günstig, nicht spontan. Wie kann eine solche Reaktion ablaufen? Bei Reaktionen in Lebewesen sind endergone Prozesse stets mit exergonen Prozessen gekoppelt, von denen sie Energie erhalten. Zusammenfassung: Wir haben in diesem Video eine neue Zustandsgröße kennengelernt, DELTA RG0. Diese wird durch die Gibbs-Helmholtz-Gleichung dargestellt, Diese freie Enthalpie entscheidet darüber, ob eine chemische Reaktion exergon oder endergon ist. Exergon ist die Reaktion, wenn DELTA RG0 kleiner als null ist. Ist es größer als null, so ist die Reaktion endergon. Die freie Reaktionsenthalpie wird sowohl durch die Reaktionsenthalpie als auch durch die Reaktionsentropie bestimmt. Das wäre es wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Auf Wiedersehen.