Freie Enthalpie

In diesem Artikel geht es um die freie Enthalpie. Wir erklären dir, was die freie Enthalpie ist, wie wir sie berechnen und zudem, was sich mit ihr ausdrücken lässt. Dies verdeutlichen wir dir anhand von zwei Anwendungsbeispielen. Vorab ist zu sagen, dass mit Hilfe der freien Enthalpie Aussagen über die Richtung einer Reaktion getroffen werden können. Deshalb ist es wichtig, dass du Kenntnis von dieser hast. Dieser Artikel ist dem Schulfach Chemie zuzuordnen und stellt ein Subtopic des Themas Gleichgewichtsreaktionen dar.

Was versteht man unter der Freien Enthalpie?

Die freie Enthalpie (auch Gibbs-Helmholtz Enthalpie) ist ein Maß für die Triebkraft eines chemischen Prozesses und wird mit dem Buchstaben G abgekürzt. Sie wird durch die Reaktions-Enthalpie und -entropie bestimmt und mit Hilfe der Gibbs-Helmholtz-Gleichung berechnet.

Important to know:

Die beiden reaktionstreibenden Kräfte der Enthalpie und der Entropie sagen uns schon viel über die Richtung einer Reaktion aus. Allerdings stellt sich uns bezüglich der Entropie das Problem, dass wir in einem geschlossenen System nicht nur die Entropie-Änderung innerhalb des Systems, sondern auch zugleich diejenige der Umgebung berücksichtigen müssen. Deshalb wäre es weitaus einfacher, wenn wir allein mit den Veränderungen innerhalb des Systems, Aussagen über die Richtung der Reaktion machen könnten. Dafür wurde eine neue Größe, die freie Enthalpie, definiert. Sie stellt eine Verbindung der Größen Enthalpie, Entropie und absoluter Temperatur dar.

Freie Enthalpie - Berechnung durch die Gibbs-Helmholtz-Gleichung

Die freie Enthalpie einer Reaktion können wir durch folgende Gleichung bestimmen:

Die freie Enthalpie wird für eine bestimmte Reaktion berechnet. Dementsprechend gilt für die Berechnung, dass wir mit den Parametern H (Reaktions-Enthalpie) und S (Entropie) bereits die Gesamtreaktion betrachten. Den Wert von G können wir dann zur weiteren Beurteilung einer chemischen Reaktion heranziehen.

Freie Enthalpie - Beurteilung einer Reaktion

Mit Hilfe der freien Enthalpie können wir nun definitive Aussagen über den Reaktionsverlauf und deren Freiwilligkeit bzw. Spontaneität treffen. Genauer gesagt, kann eine Reaktion bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibendem Druck nur spontan ablaufen, wenn der Wert von G kleiner als null ist:

• G < 0 : Die Reaktion läuft freiwillig ab und somit liegt eine exergonische Reaktion vor.
• G = 0 : Die Reaktion befindet sich im Gleichgewicht.
• G > 0 : Die Reaktion läuft nicht freiwillig ab und somit liegt eine endergonische Reaktion vor. Sie kann z.B nur durch Zufuhr von Arbeit erzwungen werden.

Die freie Enthalpie zeigt uns durch ihr Vorzeichen an, ob eine Reaktion in einem geschlossenen System bei konstanter Temperatur und konstantem Druck freiwillig ablaufen kann oder nicht. Ihr Zahlenwert gibt an, wie weit der anfängliche Zustand vom Gleichgewicht entfernt liegt.

Important to know:

Die Begriffe „exer- und endergonisch“ sind keine Synonyme für „exo- und endotherm“.

Freie Enthalpie - Anwendungsbeispiele

Ob eine Reaktion innerhalb eines geschlossenen Systems ablaufen kann, vergegenwärtigen wir uns durch die Betrachtung der einzelnen Parameter der Freien-Enthalpie-Gleichung:

1. Anwendungsbeispiel:

Ist H negativ und hat zugleich einen hohen Wert, was bei stark exothermen Reaktionen der Fall ist, dann ist G auch dann negativ, wenn die Entropie wächst. Das bedeutet für uns, dass eine Reaktion ablaufen kann, obwohl die Ordnung zunimmt. Ein Beispiel hierfür ist die Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser:

Hierbei reagieren 2 Volumenanteile Wasserstoff mit 1 Volumenanteil Sauerstoff zu 2 Volumenanteilen Wasser:

Abb. 1: Reaktionsbeispiel - Wasser

via uni-ulm.de

Wir bilden also aus drei Teilen (zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül) zwei Teile (zwei Wassermoleküle). Dadurch sinkt die Entropie. Außerdem ist Wasser ein Gas, das sehr leicht zu einer Flüssigkeit kondensiert, was die Entropie zudem sinken lässt. Durch die stark exotherme Reaktion allerdings, hat die Enthalpie-Änderung einen solch hohen negativen Wert, dass die positiven Entropie-Werte die Gleichung dennoch negativ werden lassen. Die Änderung der freien Enthalpie G ist folglich negativ und somit kann die Reaktion ablaufen, ohne dass z.B. Arbeit zugeführt werden muss.

2. Anwendungsbeispiel:

Der Entropie-Teil hat einen bedeutenden Einfluss, wenn die Enthalpie einen kleinen Wert hat bzw. wenn sie positiv (endotherm) ist. Ein Beispiel für eine solche Reaktion ist der Zerfall von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff:

Diese Reaktion läuft schon bei moderat hohen Temperaturen ab und das obwohl sie endotherm ist. Der Antrieb des chemischen Prozesses liegt damit in der Entropie begründet. Aus zwei Gasmolekülen entstehen drei, was die Gesamtanzahl um 50 % erhöht und somit zu mehr Unordnung (=Entropie-Zunahme) führt:

Abb. 2: Reaktionsbeispiel - Kohlendioxid

via uni-ulm.de

Freie Enthalpie - Alles Wichtige auf einen Blick:

• Die freie Enthalpie G (auch Gibbs-Helmholtz Enthalpie) ist ein Maß für die Triebkraft eines chemischen Prozesses.
• Sie wird mit Hilfe der Gibbs-Helmholtz-Gleichung berechnet: G=H-TS
• Diese stellt eine Verbindung der Größen Enthalpie, Entropie und absoluter Temperatur dar und allein mit ihr lassen sich Aussagen über die Veränderungen innerhalb eines Systems treffen (definitive Aussagen über den Reaktionsverlauf und deren Freiwilligkeit bzw. Spontaneität):
  • G < 0 : Ablauf der Reaktion = freiwillig (exergonische Reaktion).
  • G = 0 : Die Reaktion befindet sich im Gleichgewicht.
  • G > 0 : Ablauf der Reaktion = nicht-freiwillig (endergonische Reaktion).

FERTIG!

Zum einen weißt du jetzt, was die freie Enthalpie ist und zum anderen bist du nun in der Lage deren mathematische Gleichung zu erkennen sowie chemische Prozesse mit Hilfe dieser Größe zu beurteilen. Artikel zu diesem und vielen weiteren Themen, Übungsaufgaben und hilfreiche Literatur findest du auf StudySmarter.