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Freie Reaktionsenergie

Exotherme Reaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen sehr viel mehr Reaktionsenthalpie freigesetzt wird, als vorher in Form von Aktivierungsenergie hineingesteckt wurde (siehe Energiediagramm rechts).

Viele exotherme Reaktionen laufen spontan ab: je niedriger die Aktivierungsenergie, desto eher läuft eine solche Reaktion spontan ab.
Es gibt aber auch viele exotherme Reaktionen, die bei Zimmertemperatur gar nicht oder nur sehr langsam ablaufen. Zucker, der offen an der Luft liegt, reagiert z.B. so gut wie gar nicht mit dem Luftsauerstoff. Dies liegt meistens an der ziemlich hohen Aktivierungsenergie solcher Reaktionen. Eine andere Ursache könnte eine Entropieabnahme sein, die mit der Reaktion verbunden ist.

Bei endothermen Reaktionen sollte man gar nicht erst erwarten, daß sie freiwillig oder spontan ablaufen. Und dennoch gibt es solche Reaktionen: wenn wir z.B. etwas Ammoniumnitrat in Wasser auflösen, so geht das erstens sehr schnell (die Reaktion scheint also freiwillig abzulaufen), und zweitens nimmt die Temperatur des Wassers ab (die Reaktion ist also endotherm; die erforderliche Energie wird dem Wasser entzogen, welches daraufhin abkühlt).

Ganz offensichtlich spielt neben dem Energiegehalt der Stoffe der Ordnungsgrad bzw. die Entropie eine wichtige Rolle. Die oben beschriebene endotherme Reaktion läuft nur deswegen spontan ab, weil der gelöste Zustand wesentlich entropiereicher ist als der kristalline feste Zustand.

Fassen wir noch einmal zusammen:

Beim Auflösen eines Salzes muß Energie aufgewandt werden, um die Ionen des Salzkristalls voneinander zu trennen.
Andererseits nimmt beim Lösen die Entropie des Systems Salz/Wasser stark zu. Falls nun die Entropiezunahme stärker ist als die erforderliche Energieaufnahme, so kann die Reaktion freiwillig ablaufen.

So, jetzt sind wir reif für die folgende Formel:

Delta G ist die sogenannte freie Reaktionsenergie. Sie berechnet sich aus der Reaktionsenthalpie Delta H sowie der Reaktionsentropie Delta S, multipliziert mit der Temperatur (absolute Temperatur in Kelvin).

Eine Reaktion läuft dann spontan ab, wenn Delta G negativ ist. Bei exothermen Reaktionen sollte das kein Problem sein, da Delta H bereits negativ ist. Falls allerdings die Entropie bei einer exothermen Reaktion stark abnimmt, könnte Delta G insgesamt positiv sein.

Andererseits können endotherme Reaktionen freiwillig ablaufen, wenn der Entropiefaktor größer ist als Delta H, wenn z.B. aus Feststoffen Gase oder Flüssigkeiten werden.