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7.6: Freie Energie
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7.6: Free Energy

7.6: Freie Energie

Free energy—abbreviated as G for the scientist Gibbs who discovered it—is a measurement of useful energy that can be extracted from a reaction to do work. It is the energy in a chemical reaction that is available after entropy is accounted for. Reactions that take in energy are considered endergonic and reactions that release energy are exergonic. Plants carry out endergonic reactions by taking in sunlight and carbon dioxide to produce glucose and oxygen. Animals, in turn, break down the glucose from plants using oxygen and make carbon dioxide and water. When a system is at equilibrium, there is no net change in free energy. In order for cells to keep metabolism running and stay alive, they must stay out of equilibrium by constantly changing concentrations of reactants and products

Free Energy

The direction of energy flow through the system determines if the reaction is endergonic or exergonic. Systems with no net change in free energy are considered to be at equilibrium. Most chemical reactions are reversible—they can proceed in both directions. To stay alive, cells must stay out of equilibrium by constantly changing the concentrations of reactants and products so that metabolism continues to run.

Endergonic Versus Exergonic Reactions

If a reaction requires an input of energy to move forward, then the change in free energy, or the ΔG of the reaction is positive and the reaction is considered endergonic—energy has entered the system. In plants, the building of glucose molecules and oxygen from carbon dioxide and water—with the help of sunlight—is considered endergonic. The glucose molecules are considered as energy storage molecules.

Conversely, if energy is released in a reaction, then the change in free energy, or ΔG is negative and the reaction is considered exergonic. The products have less free energy than the reactants—energy has exited the system. This occurs in animals that break down glucose using oxygen to make carbon dioxide and water. The energy in the glucose molecules has been released.

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 endergonisch bezeichnet. Reaktionen, bei denen Energie abgeben wird nennt man exergonisch. Pflanzen führen endergonische 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 aus dem Gleichgewicht bleiben

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Freie Enthalpie

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

Endergonische versus exergonische 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 endergonisch. Energie wurde dem System zugeführt. Die Bildung von Glucosemolekülen und Sauerstoff aus Kohlendioxid und Wasser in Pflanzen läuft beispielsweise endergonisch ab. Es wird lediglich zusätzliches Sonnenlicht benötigt. Die entstehenden Glucosemoleküle 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 exergonisch. Die Produkte verfügen über weniger freie Enthalpie als die Edukte. Energie hat das System verlassen. Dies geschieht bei Tieren, die Glucose mit Hilfe von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser abbauen. Die Energie in den Glucosemolekülen ist freigesetzt worden.


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