Freie Energie, Thermodynamik und Reaktionen

Freie Energie und Arten von Reaktionen

Wir können vier Arten von Reaktionen betrachten:

1. Exotherme Reaktionen

(ΔH < 0) mit zunehmender Entropie (ΔS > 0), zum Beispiel:

2H₂O₂ (l) → 2H₂O (l) + O₂ (g)

Die Terme ΔH und -TΔS sind beide negativ, so dass ΔG bei allen Temperaturen immer negativ ist. Daher sind diese Reaktionen immer spontan.

2. Endotherme Reaktionen

(ΔH > 0) mit zunehmender Entropie (ΔS > 0), zum Beispiel:

SO₃ (g) → SO₂ (g) + 1/2 O₂ (g)

Die Spontaneität dieser Reaktion wird durch den Entropieterm begünstigt (-TΔS < 0), aber durch den Enthalpieterm benachteiligt (ΔH > 0). Diese Reaktionen sind spontan bei Temperaturen, die hoch genug sind, so dass der negative Beitrag des Terms -TΔS den Beitrag von ΔH dominiert.

3. Exotherme Reaktionen

(ΔH < 0) mit abnehmender Entropie (ΔS < 0), zum Beispiel:

C (s) + 2H₂ (g) → CH₄ (g)

Hier begünstigt der Enthalpieterm (ΔH < 0) die Spontaneität, während der Entropieterm (-TΔS > 0) sie benachteiligt. Daher sind diese Reaktionen spontan bei Temperaturen, die niedrig genug sind, so dass der negative Beitrag von ΔH in dem Ausdruck von ΔG den positiven Beitrag des Terms -TΔS dominiert.

4. Endotherme Reaktionen

(ΔH > 0) mit abnehmender Entropie (ΔS < 0), zum Beispiel:

CO (g) → C (s) + 1/2 O₂ (g)

Sowohl der Enthalpieterm (ΔH > 0) als auch der Entropieterm (-TΔS > 0) tragen positiv zum Wert von ΔG bei. Daher sind diese Reaktionen bei keiner Temperatur spontan, da ΔG immer > 0 ist.

Thermodynamische Systeme

• System: Ein bestimmter Teil des Universums, der zur Untersuchung von den anderen isoliert wird. Zum Beispiel ein Reagenzglas mit einer chemischen Fällung.
• Umgebung: Der Rest des Universums, der mit dem System in Beziehung stehen kann oder auch nicht.

Arbeit

Ein Mechanismus der Energieübertragung zwischen Systemen, der auf der Anwendung von Kräften beruht. In der Thermodynamik bezieht sich die Arbeit auf die Expansion oder Kompression eines Gases in einem geschlossenen Zylinder mit einem beweglichen Kolben.

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Er basiert auf dem Gesetz der Energieerhaltung und besagt, dass die Energie in einem isolierten System erhalten bleibt, d.h. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden. ΔU = Q + W

Gleichgewichtstemperatur

T_eq = ΔH / ΔS

Enthalpiediagramm

Es gibt Diagramme, die die Enthalpieänderungen darstellen, die während einer chemischen Reaktion auftreten:

• Exotherme Reaktionen: Die Enthalpie der Reaktanten ist größer als die der Produkte.
• Endotherme Reaktionen: Die Enthalpie der Reaktanten ist kleiner als die der Produkte.

3. Hauptsatz der Thermodynamik

Die Entropie eines perfekt geordneten kristallinen Festkörpers bei der Temperatur des absoluten Nullpunkts ist 0 (maximale Ordnung). Kristallin → T = 0 K = -273 K

Daraus folgt, dass alle Entropien positiv sind.

Hess-Gesetz

Da die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist, hängt die Enthalpieänderung eines Prozesses nur vom Anfangs- und Endzustand ab, nicht aber vom thermodynamischen Weg, d.h. den Zwischenschritten. Wenn wir diese Regel auf chemische Reaktionen anwenden, erhalten wir das Hess-Gesetz: "Die Reaktionsenthalpie hängt nur von den Ausgangs- und Endstoffen ab, und ihr Wert ist derselbe, unabhängig davon, ob der Prozess in einem oder mehreren Schritten abläuft."