Wann läuft eine Reaktion von selbst ab?
Ob eine Reaktion freiwillig abläuft, entscheidet nicht die Wärmetönung allein. Josiah Willard Gibbs und Hermann von Helmholtz verknüpften Enthalpie und Entropie zur freien Enthalpie G. Ihre Änderung ΔG = ΔH − T · ΔS ist das Kriterium: Ist ΔG negativ, kann die Reaktion bei konstantem Druck und konstanter Temperatur von selbst ablaufen. Ist ΔG positiv, läuft freiwillig nur die Rückreaktion.
Der Rechner bildet den Entropieterm T · ΔS, zieht ihn von ΔH ab und ordnet das Ergebnis als exergon oder endergon ein. Aus ΔG folgt über ΔG = −R · T · ln K die Gleichgewichtskonstante. Weil K sehr groß oder sehr klein werden kann, zeigt der Rechner sie in Zehnerpotenzen und zusätzlich als dekadischen Logarithmus.
Haben ΔH und ΔS dasselbe Vorzeichen, gibt es eine Temperatur, bei der ΔG null wird. Oberhalb oder unterhalb dieser Umkehrtemperatur kehrt sich die Richtung um. Der Rechner nennt sie in Grad Celsius. Bei unterschiedlichen Vorzeichen ist die Reaktion bei allen Temperaturen entweder freiwillig oder nie.
Werte richtig eintragen und deuten
Standardwerte ΔH° und ΔS° finden Sie in Tabellenwerken, berechnet aus den Bildungsenthalpien und Standardentropien der Produkte minus der Edukte, jeweils mit den stöchiometrischen Faktoren. Häufigster Fehler ist die Einheit: Enthalpien stehen in Kilojoule, Entropien in Joule pro Mol und Kelvin. Der Rechner erwartet genau diese Einheiten und rechnet intern um.
Beim Ammoniakbeispiel zeigt sich das Dilemma des Haber-Bosch-Verfahrens. Thermodynamisch ist niedrige Temperatur günstig, kinetisch aber zu langsam. Industriell wird deshalb bei etwa 400 bis 500 °C und hohem Druck gearbeitet: Das Gleichgewicht liegt dann ungünstiger, wird aber schnell erreicht, und der Druck verschiebt es wieder zu den Produkten.
Die Rechnung nimmt an, dass ΔH und ΔS im betrachteten Bereich konstant sind. Für überschlägige Abschätzungen über einige hundert Kelvin ist das üblich, etwa in Ellingham-Diagrammen der Metallurgie. Für genaue Werte bei hohen Temperaturen sind Wärmekapazitäten zu berücksichtigen; dann helfen Tabellen mit temperaturabhängigen Daten wie die NIST-JANAF-Tabellen.
Ein negatives ΔG bedeutet nur, dass die Reaktion möglich ist, nicht dass sie schnell abläuft. Diamant ist bei Raumtemperatur gegenüber Graphit instabil und wandelt sich trotzdem praktisch nicht um. Wie schnell eine Reaktion ist, bestimmt die Aktivierungsenergie; dafür eignet sich der Arrhenius-Rechner.
Tipps und typische Fehler
Thermodynamik prüfen.
- Einheiten: kJ und J trennen.
- Vorzeichen: Sorgfältig setzen.
- Kelvin: Wird umgerechnet.
- Kinetik: Separat betrachten.
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Häufige Fragen
Wann ist eine Reaktion exergon?
Wenn die freie Enthalpie ΔG kleiner als null ist.
Wie hängen ΔG und die Gleichgewichtskonstante zusammen?
ΔG° = −R · T · ln K; je negativer ΔG°, desto größer K.
In welcher Einheit gebe ich ΔS ein?
In J/(mol·K); der Rechner teilt intern durch 1000.
Was bedeutet ΔG = 0?
Die Reaktion befindet sich im chemischen Gleichgewicht.
Kann eine endotherme Reaktion freiwillig ablaufen?
Ja, wenn T · ΔS größer als ΔH ist.
- Gibbs-Energie berechnen
- freie Enthalpie berechnen
- Gibbs-Helmholtz-Gleichung
- Delta G berechnen
- Gleichgewichtskonstante aus Delta G
- exergon endergon
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