17.8: Berechnung von Standardänderungen der freien Energie

Die Änderung der freien Energie für eine Reaktion, die unter den Standardbedingungen von 1 bar Druck und bei 298 K stattfindet, wird als Standardänderung der freien Energie bezeichnet. Da es sich bei der freien Energie um eine Zustandsfunktion handelt, hängt ihr Wert nur von den Bedingungen des Anfangs- und Endzustands des Systems ab. Ein bequemer und gängiger Ansatz zur Berechnung von Änderungen der freien Energie für physikalische und chemische Reaktionen ist die Verwendung weit verbreiteter Zusammenstellungen thermodynamischer Daten im Normzustand. Eine Methode beinhaltet die Verwendung von Standardenthalpien und Entropien, um Standardänderungen der freien Energie, ΔG°, gemäß der folgenden Beziehung zu berechnen.

Die Standardänderung der freien Energie für eine Reaktion kann auch aus den normalen freien Bildungsenergiewerten ΔG_f° der an der Reaktion beteiligten Reaktanten und Produkte berechnet werden. Die standardmäßige freie Energie der Bildung ist die Änderung der freien Energie, die mit der Bildung eines Mols einer Substanz aus ihren Elementen in ihren Standardzuständen einhergeht. Ähnlich wie die Standardbildungsenthalpie ist ΔG_f° für elementare Substanzen unter Standardbedingungen definitionsgemäß Null. Für die Reaktion

Die standardmäßige Änderung der freien Energie bei Raumtemperatur kann berechnet werden als

Die Verwendung freier Bildungsenergien zur Berechnung freier Energieänderungen für Reaktionen, wie oben beschrieben, ist möglich, da ΔG eine Zustandsfunktion ist, und der Ansatz ist analog zur Verwendung des Hessschen Gesetzes bei der Berechnung von Enthalpieänderungen. Betrachten Sie als Beispiel die Verdampfung von Wasser:

Eine Gleichung, die diesen Prozess darstellt, kann abgeleitet werden, indem die Bildungsreaktionen für die beiden Phasen des Wassers addiert werden (wobei die Reaktion für die flüssige Phase notwendigerweise umgekehrt wird). Die Änderung der freien Energie für die Summenreaktion ist die Summe der Änderungen der freien Energie für die beiden addierten Reaktionen:

Dieser Ansatz kann auch in Fällen verwendet werden, in denen eine nichtspontane Reaktion durch Kopplung an eine spontane Reaktion ermöglicht wird. So ist z.B. die Herstellung von elementarem Zink aus Zinksulfid thermodynamisch ungünstig, was ein positiver Wert für ΔG°₁ anzeigt:

Das industrielle Verfahren zur Herstellung von Zink aus sulfidischen Erzen beinhaltet die Kopplung dieser Zersetzungsreaktion an die thermodynamisch günstige Oxidation von Schwefel:

Die gekoppelte Reaktion weist eine negative Änderung der freien Energie auf und ist spontan:

Dieser Prozess wird in der Regel bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, so dass dieses Ergebnis, das mit den Standardwerten der freien Energie erzielt wurde, nur eine Schätzung ist. Der Kern der Berechnung ist jedoch wahr.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Kapitel 16.4: Freie Energie.