Freie Enthalpie (Gibbs-Energie) – wann eine Reaktion freiwillig abläuft

Was sie zeigt

Ob eine Reaktion bei konstanter Temperatur und konstantem Druck freiwillig abläuft, hängt vom Vorzeichen von ΔG = ΔH − TΔS ab; die Temperatur entscheidet, ob der Enthalpie- oder der Entropieterm überwiegt. Die Ansicht Mikrozustände baut die Entropie aus S = k ln W auf: für ein Gas, das sich ausbreitet, einen Phasenübergang und zwei Gase, die sich mischen. Die Ansicht ΔS° aus Tabellenwerten berechnet mit Standardentropien und Bildungsenthalpien ΔS°, ΔH°, ΔG° und die Temperatur, ab der die Reaktion freiwillig abläuft. Die Ansicht ΔG° und K verbindet ΔG° = −RT ln K mit Q und der Gleichgewichtsmischung; Diamant → Graphit zeigt eine begünstigte Umwandlung, die viel zu langsam abläuft, um sie zu beobachten.

So funktioniert es

Wählen Sie in der ersten Ansicht eine Reaktion und ziehen Sie den Regler Temperatur oder den Punkt im Diagramm; die Balken vergleichen ΔH mit −TΔS. Mit Ansicht wechseln Sie die Darstellung. Klicken Sie bei Mikrozustände auf ΔS > 0 vorhersagen oder ΔS < 0 vorhersagen, dann auf Trennwand entfernen, oder ändern Sie den Aggregatzustand. Setzen Sie bei ΔS° aus Tabellenwerten das Häkchen Lernende rechnen (Lösung ausblenden). Stellen Sie bei ΔG° und K ΔG° und den Anteil von B ein und klicken Sie auf Reagieren lassen.

Einstellbare Parameter

• Reaktion CaCO₃ → CaO + CO₂ (Kalkbrennen), N₂ + 3H₂ → 2NH₃, NH₄NO₃(s) → NH₄⁺ + NO₃⁻ (Lösen), 2H₂ + O₂ → 2H₂O(l), C(Diamant) → C(Graphit)
• Temperatur 200–1600 K
• Ansicht ΔG = ΔH − TΔS, Mikrozustände (S = k ln W), ΔS° aus Tabellenwerten, ΔG° und K
• Mikrozustände: Vorgang Gas strömt ins Vakuum, Aggregatzustand ändern, Zwei Gase mischen sich
• Mikrozustände: Teilchenzahl N 2–24
• ΔS° aus Tabellenwerten: Reaktion CaCO₃ → CaO + CO₂, N₂ + 3H₂ → 2NH₃, 2H₂ + O₂ → 2H₂O(l), C(Diamant) → C(Graphit), H₂O(l) → H₂O(g) (Sieden), 2Mg + O₂ → 2MgO, CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l), N₂O₄ → 2NO₂, 2SO₂ + O₂ → 2SO₃, NaCl(s) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq) (Lösen)
• Lernende rechnen (Lösung ausblenden)
• ΔG° (A ⇌ B) -40–40 kJ/mol
• Anfangsanteil von B 0,01–0,99

Fragen zum Erkunden

1. Wie kann das Lösen von NH₄NO₃ bei Raumtemperatur freiwillig ablaufen, obwohl es endotherm ist?
2. Welches Vorzeichen hat ΔS bei N₂ + 3H₂ → 2NH₃, und warum ist die Reaktion bei niedriger Temperatur begünstigt?
3. Ab welcher Temperatur etwa wird die Zersetzung von CaCO₃ freiwillig?