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Freie Energie der Hydrolyse

Erfahre, was freie Enthalpie bedeutet und wie sie mit dem $\ce{{\Delta}G°}$-Wert zusammenhängt. Verstehe die Gibbs-Helmholtz-Gleichung und ihre Anwendung bei chemischen Reaktionen. Interessiert? Mehr Details und Anwendungsbeispiele im vollständigen Text.

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Die Autor*innen
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André Otto
Freie Energie der Hydrolyse
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Freie Energie der Hydrolyse Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Freie Energie der Hydrolyse kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme die Symbole und Eigenschaften zu den grundlegenden thermodynamischen Größen.

    Tipps

    Eine Größe wie ihr Symbol sind nach einem Wissenschaftler benannt.

    Überlege, ob „Unordnung“ spontan zu- oder abnimmt.

    Nur eine „freie“ Energie kann einen „spontanen“ Prozess voraussagen.

    In zwei Begriffen steckt der griechische Wortbestandteil therm von „Wärme“.

    Lösung

    Die Gibbs' freie Energie ist eine Größe, die dir anzeigt, ob eine Reaktion spontan abläuft oder nicht. Sie setzt sich aus zwei Größen zusammen, die für das spontane Ablaufen entscheidend sind. Zum einen besteht sie aus der Enthalpie. Diese Größe zeigt dir an, ob bei der Reaktion Wärme verbraucht wird oder frei wird. Die zweite entscheidende Größe ist die Entropie. Je unordentlicher ein System, desto günstiger ist der Zustand. Zusammenfassend lässt sich also sagen:

    • Enthalpie: ∆H, exotherm, endotherm, Reaktionswärme
    • Entropie: ∆S, stets > 0, „Unordnung“
    • Gibbs´ freie Energie: ∆G, exergon, endergon, spontaner Prozess, Prozess nicht spontan
  • Charakterisiere die Hydrolyse hinsichtlich ihrer Thermodynamik und Kinetik.

    Tipps

    Erinnere dich, was „kinetische Stabilität“ energetisch bedeutet.

    Überlege dir, wodurch die kinetische Stabilität herabgesetzt wird.

    Entscheide, ob ein Enzym einen Einfluss gleichermaßen sowohl auf die Kinetik und auch die Thermodynamik ausübt.

    Lösung
    • Da die Hydrolyse exergon ist, muss die freie Energie der Hydrolyse negativ sein.
    • Kinetische Stabilität der Edukte bedeutet, dass eine hohe Aktivierungsenergie aufgebracht werden muss, damit die Reaktion abläuft.
    • Die kinetische Energie der Hydrolyse kann durch ein Enzym als Katalysator herabgesetzt werden.
    • Ein Enzym wirkt dabei nur auf die Kinetik der Hydrolyse, indem es die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion beeinflusst.
    • Auf die freie Energie der Hydrolyse wirkt das Enzym allerdings nicht, es wird also kein Einfluss auf die Thermodynamik der Reaktion ausgeübt.
  • Erkläre den Begriff der freien Standardbildungsenergie.

    Tipps

    Es wird keine Reaktionsgeschwindigkeit beschrieben.

    Die Reaktion findet generell nicht in wässriger Lösung statt.

    Die betrachtete Teilwissenschaft sowie der Untersuchungsgegenstand sind in ihren Aussagen zu allgemein.

    Lösung

    Die freie Bildungsenergie ist definiert als Gibbs´ freie Energie der Bildungsreaktion einer chemischen Verbindung aus ihren Elementen. Für Ethylacetat bedeutet das:

    $4~C + 4~H_2 + O_2\rightarrow CH_3COOC_2H_5$.

    Dabei ist es unerheblich, ob diese Reaktion praktisch zu realisieren ist, und damit auch, ob der Wert messbar ist.

    Da es sich um eine Standardbildungsenthalpie handelt, werden T = 298 K und p = 1,013 bar festgelegt. Die Größe gibt Auskunft über die Stabilität der Verbindung. Zu allgemein gehalten sind die Begriffe wie „berechenbar“ und „messbar“.

    Natürlich handelt es sich nicht um Verbrennungsenergie, auch ein pH = 7 ist nicht notwendig und ob die Reaktion exergon oder endergon ist, soll ja erst ermittelt werden. Und schließlich handelt es sich hier um Thermodynamik und nicht Kinetik.

  • Entscheide, ob endergone Reaktionen möglich sind.

    Tipps

    Überlege, welches Vorzeichen die freie Gesamtenergie besitzen muss.

    Mache dir klar, in welcher Beziehung die Begriffe exergon und endergon zur Kinetik stehen.

    Charakterisiere den Zusammenhang zwischen Katalysator bzw. Enzym und der freien Energie einer chemischen Reaktion.

    Lösung

    Bei Reaktionskopplung kann eine endergone Reaktion ablaufen. Voraussetzung ist, dass eine exergone Reaktion parallel dazu abläuft, deren freie Energie vom Betrag größer als die freie Energie der endergonen Reaktion ist. Es kommt dabei zu einer Energiekompensation.

    Alternativ dazu kann eine endergone Reaktion durch Energiezufuhr unterstützt werden. Ist der Betrag der freien Energie der parallelen exergonen Reaktion geringer als der der endergonen Reaktion, kann die endergone Reaktion nicht ablaufen. Die Stichwörter kinetische Steuerung, Katalysator und Enzym stehen nicht im Zusammenhang mit dem thermodynamischen Begriff endergon. Sie sind als Argumente unbrauchbar, da sie lediglich die Kinetik beeinflussen.

  • Nenne die Bedingungen, bei denen die freie Energie der Hydrolyse bestimmt wird.

    Tipps

    Die beiden wichtigsten Zustandsgrößen werden festgelegt.

    Die Konzentration des Stoffes, der die Hydrolyse hervorruft, wird festgelegt.

    Der saure bzw. alkalische Charakter der Lösung wird exakt definiert.

    Lösung

    Sollen bestimmte Messwerte bestimmt werden, ist es immer wichtig, die Bedingungen der Messung festzulegen, damit die Messung zum einen reproduzierbar ist und zum anderen die Messwerte verschiedener Stoffe miteinander vergleichbar sind.

    Die Energie der Hydrolyse ist z.B. von Druck und Temperatur beeinflussbar, daher werden Standardbedingungen festgelegt:

    • Druck: p = 1,013 bar
    • Temperatur: T = 298 K
    • pH - Wert: pH = 7
    • Konzentration: c(Wasser) = 1 $\frac{mol}{l}$

  • Finde möglichen Ursachen für die Begünstigung einer Hydrolyse im Wasser im Vergleich zur Gasphase.

    Tipps

    Überlege, welche Auswirkung eine Umgebung von Wassermolekülen auf die beteiligten Teilchen einer Hydrolyse haben könnte.

    Welche der beiden zwischenmolekularen Wechselwirkungen ist stärker: Die Wasserstoff-Brückenbindung oder die Dipol-Dipol-Anziehungskräfte?

    Entscheide, ob auf der Seite der Edukte oder der Seite der Produkte die zwischenmolekulare Wechselwirkung stärker ausgeprägt ist.

    Finde die Zusammenhänge zwischen der Stärke der zwischenmolekularen Wechselwirkung und der Lage des chemischen Gleichgewichts einerseits und zwischen der Lage des chemischen Gleichgewichts und der freien Reaktionsenergie andererseits.

    Lösung

    In der Gasphase ergibt sich die Gibb´s freie Energie der Reaktion als Differenz der freien Bildungsenergien der Produkte und der Edukte. Die zwischenmolekulare (intermolekulare) Wechselwirkung zwischen den Teilchen ist vernachlässigbar klein. Die Situation ändert sich grundlegend, wenn die Hydrolyse in einer wässrigen Umgebung abläuft. Die beteiligten Teilchen werden durch die Wassermoleküle hydratisiert. Das chemische Gleichgewicht der Hydroyse wird in die Richtung verschoben, in der die Interaktion mit der wässrigen Umgebung am stärksten ist.

    • Edukte: Die Wassermoleküle bilden mit dem als Edukt fungierenden Wassermolekül Wasserstoffbrückenbindungen (WBB). Zwischen den Ethylacetatmolekülen und der wässrigen Umgebung wirken Dipol-Dipol-Anziehungskräfte (DDAK).
    • Produkte: Von den Produkten sind sowohl die Essigsäureteilchen als auch die Ethanolteilchen befähigt, mit den Wasserteilchen der Umgebung WBB zu bilden.
    • Qualitative Bilanzierung: Es ist gut bekannt, dass für die Stärke der Wechselwirkung gilt:
    • WBB > DDAK.
    • Da auf Produktseite eine zweifache WBB zu verzeichnen ist, während nur eines der Edukte WBB bilden kann, ist das chemische Gleichgewicht in Richtung Produkte verschoben.
    Das bedeutet gleichlautend, dass die freie Energie der Reaktion in den negativen Bereich verschoben wird, also kleiner wird.
    • Und tatsächlich gilt: -1 kJ/mol > -20 kJ/mol.