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Exergone und endergone Reaktion Chemische Reaktionen werden in Bezug darauf ob die freie Enthalpie G der an der Reaktion

Exergone und endergone Reaktion

Chemische Reaktionen werden in Bezug darauf, ob die freie Enthalpie G der an der Reaktion beteiligten Komponenten ab- oder zunimmt, als exergone (bzw. exergonische) oder endergone (bzw. endergonische) Reaktionen bezeichnet:

  • exergon:
  • endergon:

Diese Begriffe sind nicht mit exotherm und endotherm zu verwechseln (siehe unten sowie Abgrenzung).

Exergone und endergone Reaktionen Bearbeiten

Exergone Reaktionen können spontan („freiwillig“) ablaufen, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit hinreichend groß ist, um die Reaktion als beobachtbar bezeichnen zu können (s. Reaktionskinetik). Endergone Reaktionen laufen nicht spontan, sind also thermodynamisch nicht möglich.

Ein Beispiel für eine endergone Reaktion ist die Entstehung eines Proteins in einer wässrigen Lösung von Aminosäuren. Sie kann allein nicht spontan ablaufen, kann aber als Teilreaktion realisiert werden, wenn sie an andere, exergone Teilreaktionen gekoppelt wird, so dass in der Summe das Vorzeichen von negativ ist. In biologischen Systemen gelingt dies meist durch die Hydrolyse von ATP.

Da die Rückreaktion einer endergonen Reaktion stets exergon ist (und umgekehrt), sollten Proteine eigentlich spontan wieder in ihre Aminosäuren zerfallen. Allerdings ist die Geschwindigkeit der Zerfallsreaktion unter physiologischen Bedingungen so klein, dass sie vernachlässigt werden kann, d. h. Peptidbindungen sind in diesem Fall kinetisch stabil (oder: metastabil). Hier entscheidet also ein Kriterium aus der Reaktionskinetik darüber, ob die Reaktion spontan abläuft, präziser: beobachtet wird.

Systeme streben stets dem Gleichgewichtszustand zu, weil hier die freie Enthalpie den minimalen Wert annimmt. Hat ein System sein Gleichgewicht erreicht, so verändern sich die Konzentrationen der Reaktionspartner nicht mehr, weil G auf keinem Weg weiter verringert werden kann, und es gilt .

Wichtige Unterscheidung Bearbeiten

  • ist die molare freie Reaktionsenthalpie
  • ist die molare freie Standard-Reaktionsenthalpie, also die molare freie Reaktionsenthalpie unter thermodynamischen Standardbedingungen. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivität aller Komponenten 1 ist und der Druck dem Standarddruck entspricht.

Das vollständige Ablaufen einer Reaktion ist hypothetisch, da jede Reaktion nur bis zum chemischen Gleichgewicht läuft. ist eine wichtige Größe, da sie mit der allgemeinen thermodynamischen Gleichgewichtskonstanten K in folgendem Zusammenhang steht:

mit

Bestimmung der freien Reaktionsenthalpie Bearbeiten

ist gegeben durch folgende Beziehung (oft auch als Gibbs-Helmholtz-Gleichung bezeichnet):

mit

kann direkt mit Hilfe tabellierter Werte (Standard-Reaktionsenthalpien und Standard-Reaktionsentropien ) für Standardbedingungen berechnet werden. Eine Umrechnung auf andere Temperaturen kann mit Hilfe der Van-’t-Hoff-Gleichung geschehen.

Deutung der Gleichung ΔG = ΔH – T · ΔS Bearbeiten

Thermodynamik der chemischen Reaktion Bearbeiten

Triebkraft für das Ablaufen einer chemischen Reaktion ist die Zunahme der Entropie S im Universum (vgl. zweiter Hauptsatz der Thermodynamik).

Betrachtet man ein System, das keine Energie mit der Umgebung austauschen kann (abgeschlossenes System), so lautet die einzige Bedingung, die an einen spontan ablaufenden Vorgang zu stellen ist, . Entscheidend ist dabei nicht, ob die einzelne Reaktion exergon oder endergon ist, sondern dass das System sich noch nicht im Gleichgewicht befindet.

Exotherme und endotherme Reaktion Bearbeiten

Erlaubt man dem System den Austausch von Arbeit oder Wärme mit der Umgebung (Geschlossenes System), so muss zusätzlich die Entropieänderung in der Umgebung berücksichtigt werden. Diese kann erfasst werden über die Wärmeaufnahme, d. h., bei isobaren Prozessen, die Enthalpieänderung des Systems:

  • als negativer Beitrag, wenn die Reaktion exotherm ist, Wärme an die Umgebung abgegeben wird und auf diese Weise in der Umwelt die Entropie zunimmt,
  • als positiver Beitrag, wenn die Reaktion endotherm verläuft und die Entropie in der Umwelt abnimmt, weil Wärme vom System aufgenommen wird.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gilt dann für die Gesamtentropieänderung

Das ist gleichbedeutend mit

Das System strebt Zustände mit minimaler freier Enthalpie an, da dies der Zustand maximaler Entropie ist.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ Florian Horn: Biochemie des Menschen das Lehrbuch für das Medizinstudium. Georg Thieme Verlag, 2009, ISBN 978-3-13-130884-9, S. 63 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. P. Stephan, K. Schaber, K. Stephan, F. Mayinger: Thermodynamik - Grundlagen und technische Anwendungen - Band 2: Mehrstoffsysteme und chemische Reaktionen 15. Auflage, Springer, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-36709-3.
  3. Ulf Dettmer und Malte Folkerts: Biochemie. Elsevier,Urban&FischerVerlag, 2005, ISBN 978-3-437-44450-0, S. 6 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. H.A. Harper, G. Löffler, P.E. Petrides, L. Weiss: Physiologische Chemie Eine Einführung in die medizinische Biochemie für Studierende der Medizin und Ärzte. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-09766-3, S. 257 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. Walter J. Moore; "Grundlagen der physikalischen Chemie", Walter de Gruyter, 1990.
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Veröffentlichungsdatum:
Chemische Reaktionen werden in Bezug darauf ob die freie Enthalpie G der an der Reaktion beteiligten Komponenten ab oder zunimmt als exergone bzw exergonische oder endergone bzw endergonische Reaktionen bezeichnet 1 exergon D R G lt 0 displaystyle mathrm Delta mathrm R G lt 0 endergon D R G gt 0 displaystyle mathrm Delta mathrm R G gt 0 Diese Begriffe sind nicht mit exotherm und endotherm zu verwechseln siehe unten sowie Abgrenzung Inhaltsverzeichnis 1 Exergone und endergone Reaktionen 1 1 Wichtige Unterscheidung 1 2 Bestimmung der freien Reaktionsenthalpie 2 Deutung der Gleichung DG DH T DS 2 1 Thermodynamik der chemischen Reaktion 2 2 Exotherme und endotherme Reaktion 3 EinzelnachweiseExergone und endergone Reaktionen BearbeitenExergone Reaktionen konnen spontan freiwillig ablaufen wenn die Reaktionsgeschwindigkeit hinreichend gross ist um die Reaktion als beobachtbar bezeichnen zu konnen s Reaktionskinetik Endergone Reaktionen laufen nicht spontan sind also thermodynamisch nicht moglich 2 Ein Beispiel fur eine endergone Reaktion ist die Entstehung eines Proteins 3 in einer wassrigen Losung von Aminosauren Sie kann allein nicht spontan ablaufen kann aber als Teilreaktion realisiert werden wenn sie an andere exergone Teilreaktionen gekoppelt wird so dass in der Summe das Vorzeichen von D R G displaystyle mathrm Delta mathrm R G nbsp negativ ist In biologischen Systemen gelingt dies meist durch die Hydrolyse von ATP 4 Da die Ruckreaktion einer endergonen Reaktion stets exergon ist und umgekehrt sollten Proteine eigentlich spontan wieder in ihre Aminosauren zerfallen Allerdings ist die Geschwindigkeit der Zerfallsreaktion unter physiologischen Bedingungen so klein dass sie vernachlassigt werden kann d h Peptidbindungen sind in diesem Fall kinetisch stabil oder metastabil Hier entscheidet also ein Kriterium aus der Reaktionskinetik daruber ob die Reaktion spontan ablauft praziser beobachtet wird Systeme streben stets dem Gleichgewichtszustand zu weil hier die freie Enthalpie den minimalen Wert annimmt Hat ein System sein Gleichgewicht erreicht so verandern sich die Konzentrationen der Reaktionspartner nicht mehr weil G auf keinem Weg weiter verringert werden kann und es gilt D R G 0 displaystyle mathrm Delta mathrm R G 0 nbsp Wichtige Unterscheidung Bearbeiten D R G displaystyle mathrm Delta mathrm R G nbsp ist die molare freie Reaktionsenthalpie D R G 0 displaystyle mathrm Delta mathrm R G 0 nbsp ist die molare freie Standard Reaktionsenthalpie also die molare freie Reaktionsenthalpie unter thermodynamischen Standardbedingungen Diese sind dadurch gekennzeichnet dass die Aktivitat aller Komponenten 1 ist und der Druck dem Standarddruck p 0 1 01325 b a r displaystyle mathrm p 0 1 01325 bar nbsp entspricht Das vollstandige Ablaufen einer Reaktion ist hypothetisch da jede Reaktion nur bis zum chemischen Gleichgewicht lauft D R G 0 displaystyle mathrm Delta mathrm R G 0 nbsp ist eine wichtige Grosse da sie mit der allgemeinen thermodynamischen Gleichgewichtskonstanten K in folgendem Zusammenhang steht 5 K exp D R G 0 R T displaystyle K exp left frac Delta mathrm R G 0 R cdot T right nbsp mit der Gaskonstante R der absoluten Temperatur T Bestimmung der freien Reaktionsenthalpie Bearbeiten D R G displaystyle mathrm Delta mathrm R G nbsp ist gegeben durch folgende Beziehung oft auch als Gibbs Helmholtz Gleichung bezeichnet 1 D R G D R H T D R S displaystyle Delta mathrm R G Delta mathrm R H T cdot Delta mathrm R S nbsp mit D R G displaystyle mathrm Delta mathrm R G nbsp molare freie Reaktionsenthalpie D R H displaystyle mathrm Delta mathrm R H nbsp molare Reaktionsenthalpie d h Anderung der Enthalpie der Stoffe bei Ablaufen der Reaktion D R S displaystyle mathrm Delta mathrm R S nbsp molare Reaktionsentropie d h Anderung der Entropie der Stoffe bei Ablaufen der Reaktion s Entropie D R G 0 displaystyle mathrm Delta mathrm R G 0 nbsp kann direkt mit Hilfe tabellierter Werte Standard Reaktionsenthalpien D H displaystyle Delta H circ nbsp und Standard Reaktionsentropien D S displaystyle Delta S circ nbsp fur Standardbedingungen berechnet werden Eine Umrechnung auf andere Temperaturen kann mit Hilfe der Van t Hoff Gleichung geschehen Deutung der Gleichung DG DH T DS BearbeitenThermodynamik der chemischen Reaktion Bearbeiten Triebkraft fur das Ablaufen einer chemischen Reaktion ist die Zunahme der Entropie S im Universum vgl zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Betrachtet man ein System das keine Energie mit der Umgebung austauschen kann abgeschlossenes System so lautet die einzige Bedingung die an einen spontan ablaufenden Vorgang zu stellen ist D S a b g gt 0 displaystyle Delta S rm abg gt 0 nbsp Entscheidend ist dabei nicht ob die einzelne Reaktion exergon oder endergon ist sondern dass das System sich noch nicht im Gleichgewicht befindet Exotherme und endotherme Reaktion Bearbeiten Erlaubt man dem System den Austausch von Arbeit oder Warme mit der Umgebung Geschlossenes System so muss zusatzlich die Entropieanderung in der Umgebung berucksichtigt werden Diese kann erfasst werden uber die Warmeaufnahme d h bei isobaren Prozessen die Enthalpieanderung D H displaystyle Delta H nbsp des Systems als negativer Beitrag wenn die Reaktion exotherm ist Warme an die Umgebung abgegeben wird und auf diese Weise in der Umwelt die Entropie zunimmt als positiver Beitrag wenn die Reaktion endotherm verlauft und die Entropie in der Umwelt abnimmt weil Warme vom System aufgenommen wird Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gilt dann fur die GesamtentropieanderungD S D S U m g D S D H T gt 0 displaystyle Delta mathrm S Delta mathrm S Umg Delta mathrm S Delta mathrm H T gt 0 nbsp Das ist gleichbedeutend mitD H T D S D G lt 0 displaystyle Delta mathrm H T Delta mathrm S Delta mathrm G lt 0 nbsp Das System strebt Zustande mit minimaler freier Enthalpie an da dies der Zustand maximaler Entropie ist Einzelnachweise Bearbeiten a b Florian Horn Biochemie des Menschen das Lehrbuch fur das Medizinstudium Georg Thieme Verlag 2009 ISBN 978 3 13 130884 9 S 63 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche P Stephan K Schaber K Stephan F Mayinger Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen Band 2 Mehrstoffsysteme und chemische Reaktionen 15 Auflage Springer Heidelberg 2010 ISBN 978 3 540 36709 3 Ulf Dettmer und Malte Folkerts Biochemie Elsevier Urban amp FischerVerlag 2005 ISBN 978 3 437 44450 0 S 6 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche H A Harper G Loffler P E Petrides L Weiss Physiologische Chemie Eine Einfuhrung in die medizinische Biochemie fur Studierende der Medizin und Arzte Springer Verlag 2013 ISBN 978 3 662 09766 3 S 257 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Walter J Moore Grundlagen der physikalischen Chemie Walter de Gruyter 1990 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Exergone und endergone Reaktion amp oldid 226166481