17.9
Die standardmäßige Änderung der freien Energie für eine Reaktion kann nur bestimmt werden, wenn sie unter Standardzustandsbedingungen stattfindet – wenn sich sowohl die Reaktanten als auch die Produkte in ihrem Standardzustand befinden. Die meisten chemischen Reaktionen finden unter diesen Bedingungen jedoch nicht statt.
Unter allen Bedingungen – ob Standard oder Nichtstandard – wird die relative Menge der in einer Reaktion vorhandenen Produkte und Reaktanten durch den Reaktionsquotienten Q beschrieben.
Für Reaktionen, die in Lösung stattfinden, wird Q aus dem Verhältnis der Produkt- und der Reaktantenkonzentration berechnet, wobei jede Reagenzkonzentration hoch ihrem stöchiometrischen Koeffizienten zuwendet. Bei gasförmigen Reaktionen können anstelle von Konzentrationen die Partialdrücke der Gase verwendet werden.
Die Änderung der freien Energie einer Reaktion ist gleich der Summe der Änderung der freien Energie im Normalzustand für die Reaktion, Delta G null und RT multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus von Q. Hier ist R die universelle Gaskonstante in Joule pro Mol-Kelvin und T die Temperatur der Reaktion in Kelvin.
Bei konstanter Temperatur hat die freie Energie im Normalzustand einen festen Wert, aber Q variiert, da sie von der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches abhängt.
Betrachten wir die Synthese von Ammoniakgas aus Stickstoff und Wasserstoff bei 298 K. Unter Standardbedingungen, die für ein Gas das reine Gas bei 1 atm sind, sind die Partialdrücke aller Komponenten gleich 1 atm, und die Größe des Reaktionsquotienten ist gleich 1.
Somit ist die Änderung der freien Energie der Reaktion gleich der standardmäßigen Änderung der freien Energie der Reaktion, -32,8 kJ/mol, und die Vorwärtsreaktion ist spontan.
Unter nicht standardmäßigen Bedingungen können die Bestandteile des Reaktionsgemisches zunächst Partialdrücke von 1,2 Atmosphären für Stickstoff, 3,6 Atmosphären für Wasserstoff und 0,60 Atmosphären für Ammoniak aufweisen.
Wie bisher kann aus den Werten für die Partialdrücke der Reaktionsquotient bestimmt werden. Wenn man Q in die Gleichung einfügt, beträgt die freie Energie für die Reaktion -45,3 kJ/mol, was auf eine spontane Reaktion in Vorwärtsrichtung hinweist.
Im Verlauf der Vorwärtsreaktion wird mehr Ammoniak produziert und die Reaktionszusammensetzung ändert sich.
Wenn sich die Reaktanten und Produkte im Gleichgewicht befinden, ist die Änderung der freien Energie für die Reaktion Null, und der Wert von RT multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus von Q ist gleich und im Vorzeichen der Standardänderung der freien Energie entgegengesetzt.
Wenn das Reaktionsgemisch nun 0,02 Atmosphären Stickstoff, 0,06 Atmosphären Wasserstoff und 4,8 Atmosphären Ammoniak enthält, ist Q viel größer und die Änderung der freien Energie beträgt 5,6 kJ/mol.
Eine positive Änderung der freien Energie deutet darauf hin, dass die Umkehrreaktion energetisch günstig ist. Unter diesen Bedingungen zersetzt sich Ammoniak zu Stickstoff und Wasserstoff.
Die Änderung der freien Energie für einen Prozess, der mit Reaktanten und Produkten unter nicht standardmäßigen Bedingungen (andere Drücke als 1 bar,…
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