Freiwillig ablaufende Reaktionen

Aus dem Alltag ist es jedem bekannt das geordnete Systeme freiwillig in einen Zustand größerer Unordnung übergehen, falls nicht ordnend eingegriffen wird. So entsteht die Unordnung in einem Zimmer fast wie von alleine nur das Aufräumen ist mühevoll und kostet Energie und Nerven. Ähnlich verhalten sich auch chemische Systeme. Untersucht man endotherme Reaktionen, welche freiwillig ablaufen, so stellt man fest, dass sich die Edukte meist in einem Zustand höherer Ordnung als die Produkte befinden. Beim Lösen von Salzen in Wasser ist dies beispielsweise der Fall. Im festen Zustand befinden sich die einzelnen Teilchen in einem geordneten Kristallgitter. Beim Lösen werden die Teilchen jedoch aus dem Gitterverband gelöst und verteilen sich ungeordnet in der Lösung.

Bei anderen Reaktionen wird aus einem Feststoff ein Gas oder eine Flüssigkeit. Die Bewegungsfreiheit der Teilchen ist in einer Flüssigkeit erheblich größer als im Feststoff. Die größte Beweglichkeit erreichen die kleinsten Teilchen in einem Gas. Das Maß an Bewegungsfreiheit ist ein Hinweis auf die Größe der Unordnung, in der sich ein System befindet.

In Feststoffen herrscht hohe Ordnung ( geringe Unordnung), in einer Flüssigkeit eine geringere Ordnung ( mittlere Unordnung) und in einem Gas gibt es für die kleinsten Teilchen keine Ordnung ( hohe Unordnung, Chaos).

Bei freiwillig ablaufenden, endothermen, chemischen Reaktionen muss die Unordnung des Systems zunehmen.

Das Maß der Unordnung eines Systems ist neben der Reaktionswärme ein Faktor der bestimmt ob eine chemische Reaktion abläuft. Ein System strebt den Zustand größtmöglicher Unordnung an.

Der Unordnungszustand eines Systems wird als Entropie bezeichnet und besitzt das Symbol S. Die Einheit der Entropie ist Joule pro Kelvin (J/K).

Standardentropie S in J/K (bei 293K)

H2O (l)

70

H2O (g)

189

HCl (g)

187

NH3 (g)

193

NO2 (g)

241

CO2 (g)

214

CO (g)

198

O2 (g)

205

H2 (g)

131

N2 (g)

191

C (s)

6

Die Entropiedifferenz ΔS einer chemischen Reaktion ist der Unterschied zwischen den Ordnungszuständen der Edukte und Produkte. Bei zunehmender Unordnung ist lau Vereinbarung das Vorzeichen von ΔS positiv und bei abnehmender Unordnung negativ.

Um nun beurteilen zu können ob eine chemische Reaktion freiwillig abläuft oder nicht, müssen die Reaktionsenthalpie ΔH und die Reaktionsentropie ΔS zur freien Reaktionsenthalpie ΔG verknüpft werden. 

ΔG = ΔH – T × ΔS                 (Gibbs-Helmholz-Gleichung)

T ist die Absolute Temperatur in K.

Ist für eine chemische Reaktion ΔG negativ, so wird die Reaktion freiwillig ablaufen. Man spricht von einer exergonischen Reaktion.

Ist ΔG hingegen positiv, so wird die Reaktion nicht freiwillig ablaufen. Solche Reaktionen bezeichnet man als endergonische Reaktionen.