3.5: Eine Einführung in die Freie Energie

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

Jede chemische Reaktion beinhaltet eine Änderung der freien Energie, die als Delta G (∆G) bezeichnet wird. Wir können die Änderung der freien Energie für jedes System berechnen, das eine solche Änderung durchläuft, wie z. B. eine chemische Reaktion. Um ∆G zu berechnen, subtrahieren Sie die Menge an Energie, die durch Entropie verloren geht (als ∆S bezeichnet), 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 standardmäßige Änderung 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, so dass die berechneten ∆G-Standardwerte für biologische Reaktionen innerhalb der Zelle unterschiedlich sind.

Dieser Text ist eine Adaption von Openstax, Biology 2e, Abschnitt 6.2: Potential, Kinetic, Free, and Activation Energy und Openstax, Chemistry 2e, Abschnitt 16.4: Freie Energie.