3.5: Eine Einführung in die freie Energie

Wie können wir die Energie, die bei einer Reaktion freigesetzt wird, mit der Energie einer anderen Reaktion vergleichen? Wir verwenden eine Messung der freien Energie, um diese Energieübertragungen zu quantifizieren. Wissenschaftler nennen diese freie Energie freie Gibbs-Energie (abgekürzt mit dem Buchstaben G), nach Josiah Willard Gibbs, dem Wissenschaftler, der die Messung entwickelt hat. Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik geht bei allen Energieübertragungen ein Teil der Energie in unbrauchbarer Form wie etwa Wärme verloren, was zu Entropie führt. Die freie Gibbs-Energie bezieht sich insbesondere auf die Energie einer chemischen Reaktion, die verfügbar ist, nachdem wir die Entropie berücksichtigt haben. Mit anderen Worten, die freie Gibbs-Energie ist nutzbare Energie oder Energie, die zur Verrichtung von Arbeit zur Verfügung steht.

Jede chemische Reaktion beinhaltet eine Änderung der freien Energie, genannt Delta G (∆G). Wir können die Änderung der freien Energie für jedes System berechnen, das eine solche Änderung erfährt, beispielsweise eine chemische Reaktion. Um ∆G zu berechnen, subtrahieren Sie die durch Entropie verlorene Energiemenge (bezeichnet als ∆S) von der gesamten Energieänderung des Systems. Die Gesamtenergie im System ist Enthalpie und wir bezeichnen sie als ∆H. Die Formel zur Berechnung von ∆G lautet wie folgt, wobei sich das Symbol T auf die absolute Temperatur in Kelvin (Grad Celsius + 273) bezieht:

ΔG = ΔH − TΔS

Wir drücken die Standardänderung der freien Energie einer chemischen Reaktion als Energiemenge pro Mol des Reaktionsprodukts aus (entweder in Kilojoule oder Kilokalorien, kJ/mol oder kcal/mol; 1 kJ = 0,239 kcal) unter Standard-pH-, -Temperatur- und -Druckbedingungen . Wir berechnen im Allgemeinen Standard-pH-, Temperatur- und Druckbedingungen bei pH 7,0 in biologischen Systemen, 25 Grad Celsius bzw. 100 Kilopascal (1 atm Druck). Beachten Sie, dass die zellulären Bedingungen erheblich von diesen Standardbedingungen abweichen und daher die standardmäßig berechneten ∆G-Werte für biologische Reaktionen innerhalb der Zelle unterschiedlich sein werden.

Dieser Text ist adaptiert von Openstax, Biology 2e, Section 6.2: Potential, Kinetic, Free, and Activation Energy und Openstax, Chemie 2e, Section 16.4: Free Energy.

Die freie Gibbs-Energie ist die Energie, die einem System zur Verfügung steht, um bei konstanter Temperatur und konstantem Druck zu arbeiten. Die Änderung der freien Energie (∆G) kann verwendet werden, um die Spontaneität einer Reaktion vorherzusagen.

Spontane Prozesse erhöhen die Entropie des Universums; es ist jedoch schwierig, diese Entropieänderung zu messen, da sie Änderungen in der Unordnung des untersuchten Systems und seiner Umgebung einschließt.

Mit der Gleichung für die freie Gibbs-Energie kann die Spontaneität allein durch die Enthalpie- und Entropieänderung des Systems bestimmt werden.

Gibt das System Wärme ab, nimmt die Umgebung die Wärme auf, was die Zufälligkeit der Umgebung beeinflusst. Mathematisch ist die Entropie der Umgebung gleich der negativen Enthalpieänderung des Systems dividiert durch die Temperatur.

Eine Neuanordnung der Gibbs-Gleichung zeigt, dass das negative Verhältnis von Änderung der freien Energie und der Temperatur gleich der Entropieänderung des Universums ist.