7.6: Freie Energie

Die freie Enthalpie wurde vom Wissenschaftler Josiah Willard Gibbs entdeckt und wird daher mit dem Buchstaben G abgekürzt. Sie ist ein Maß für die nutzbare Energie, die aus einer Reaktion zur Arbeit gewonnen werden kann. Es ist die Energie in einer chemischen Reaktion, die nach Berücksichtigung der Entropie zur Verfügung steht. Reaktionen, die Energie aufnehmen, werden als endergon bezeichnet. Reaktionen, bei denen Energie abgeben wird nennt man exergon. Pflanzen führen endergone Reaktionen durch, indem sie Sonnenlicht und Kohlendioxid aufnehmen, um Glucose und Sauerstoff zu produzieren. Tiere wiederum bauen die Glucose von Pflanzen unter Verwendung von Sauerstoff ab und bilden Kohlendioxid und Wasser. Wenn ein System im Gleichgewicht ist, wird man keine Nettoveränderung der freien Enthalpie feststellen können. Damit die Zellen den Stoffwechsel am Laufen halten und am Leben bleiben können, müssen sie durch ständig wechselnde Konzentrationen von Reaktionspartnern und Produkten das Gleichgewicht vermeiden

Freie Enthalpie

Die Richtung des Energieflusses durch das System bestimmt, ob eine Reaktion endergon oder exergon ist. Systeme ohne Nettoveränderungen der freien Enthalpie werden als ausgeglichen betrachtet. Die meisten chemischen Reaktionen sind reversibel. Sie können also in beide Richtungen ablaufen. Um am Leben zu bleiben, müssen Zellen das Gleichgewicht vermeiden, indem sie die Konzentrationen von Reaktanten und Produkten ständig ändern, damit der Stoffwechsel weiterläuft.

Endergone und exergone Reaktionen

Wenn eine Reaktion zum Ablauf Energie benötigt, dann ist die Veränderung der freien Enthalpie oder das ΔG der Reaktion positiv. Daher bezeichnet man die Reaktion als endergon. Energie wurde dem System zugeführt. Die Bildung von Glukosemolekülen und Sauerstoff aus Kohlendioxid und Wasser in Pflanzen läuft beispielsweise endergon ab. Es wird lediglich zusätzliches Sonnenlicht benötigt. Die entstehenden Glukosemoleküle werden als Energiespeichermoleküle betrachtet.

Wenn bei einer Reaktion Energie freigesetzt wird, dann ist die Änderung der freien Enthalpie bzw. ΔG negativ. Man bezeichnet die Reaktion als exergon. Die Produkte verfügen über weniger freie Enthalpie als die Edukte. Energie hat das System verlassen. Dies geschieht bei Tieren, die Glukose mit Hilfe von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser abbauen. Die Energie in den Glukosemolekülen ist freigesetzt worden.

Freie Energie (abgekürzt G nach ihrem Entdecker Gibbs, ist eine Messgröße nützlicher Energie, die aus einer Reaktion zu bestimmten Leistungsprozessen extrahiert werden kann. Abhängig von der Energierichtung im System können Reaktionen als endergonisch, exergonisch oder im Gleichgewicht bezeichnet werden. Wenn der Nettowert von G sich nicht ändert, befindet sich die Reaktion im Gleichgewicht.

An dieser Stelle würden Zellen sterben, weil keine Energie übrig ist, mit denen sie arbeiten könnten. Somit halten sie sich aus einer solchen Zone entfernt, indem sie Konzentrationen von Reaktanden und Produkten ändern, um ihren Stoffwechsel aktiv zu halten. In Pflanzen erfordert die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser zu Glukose und Sauerstoff chemische Energie, die aus Sonnenlicht umgewandelt wird.

Die in das System eingesetzte Energie wird in den Bindungen des Glukosemoleküls gespeichert, wodurch es zu einer endergonischen Reaktion kommt. Es erfolgt eine Energieeinspeisung in das System. Die Umkehrreaktion findet bei der Zellatmung statt, die Glukose und Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser abbauen. Diese Reaktion ist exergonisch. Die in den Glukosemolekülen gespeicherte Energie wird freigesetzt.