Thermodynamik chemischer Reaktionen
Wie Enthalpie und Entropie zusammen bestimmen, ob eine chemische Reaktion freiwillig abläuft und wo ihr Gleichgewicht liegt.
Warum löst sich Ammoniumnitrat in Wasser, obwohl die Lösung dabei abkühlt? Die Thermodynamik beantwortet solche Fragen, indem sie Reaktionen über ihre Energiebilanz beschreibt. Sie sagt, ob ein Vorgang freiwillig ablaufen kann und wohin er strebt. Wie schnell er abläuft, sagt sie nicht; das ist Sache der Kinetik. Diese Trennung ist hilfreich, denn eine thermodynamisch begünstigte Reaktion kann trotzdem praktisch stillstehen.
Den Begriffsrahmen bilden das System und seine Zustandsgrößen. Darauf baut der erste Hauptsatz auf: Energie bleibt erhalten, und aus der Wärmebilanz einer Reaktion ergibt sich ihre Enthalpie, die sich mit dem Hess’schen Satz auch aus Tabellenwerten berechnen lässt. Die Energie allein erklärt aber nicht, in welche Richtung etwas läuft. Dafür kommt mit dem zweiten und dritten Hauptsatz die Entropie hinzu. Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung führt beide Größen zur freien Enthalpie \(\Delta G\) zusammen.
Am Ende steht das Vorzeichen von \(\Delta G\) als Kriterium für den freiwilligen Ablauf. Von hier führen direkte Wege zum Massenwirkungsgesetz, weil \(\Delta G\) mit der Gleichgewichtskonstante verknüpft ist, und zu den Redoxpotenzialen der Elektrochemie.
Systeme
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Entropieänderung chemischer Reaktionen abschätzenGibbs-Helmholtz-Gleichung
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Größen aus der Gibbs-Helmholtz-Gleichung ableitenKriterien des Reaktionsablaufs
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Freie Enthalpie, Gleichgewichtskonstante und Redoxpotenzial