Gibbs Free Energy

00:01 Es gibt noch eine letzte Sache, die wir verstehen müssen, wenn eine Reaktion voranschreitet.

00:07 Im Folgenden wird es darum gehen, warum bei Reaktionen möglichst ein Minimum an Energie nötig sein soll.

00:11 Mit anderen Worten: Reaktionen laufen vereinfachter ab, wenn dabei Energie frei wird.

00:16 Lassen Sie uns folgendes Beispiel besprechen: Wir haben zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül.

00:20 Die Edukte werden hier “freiwillig” miteinander reagieren, weil dies ein Minimum an Energie für sie bedeutet.

00:26 Es gibt jedoch auch den konkurrierenden Effekt, dass die Systeme die Entropie maximieren wollen.

00:32 Das sind also die beiden Faktoren, über die wir gesprochen haben. Lassen Sie uns sie gegenüberstellen, um zu sehen, welche der beiden Größen bei einer bestimmten Reaktion dominieren werden.

00:40 Bei einer Reaktion mit zwei Wasserstoffmolekülen und einem Sauerstoffmolekül entsteht zum Beispiel ein Wassermolekül.

00:46 Hierbei liegt nicht nur eine Änderung der Enthalpie, sondern auch eine Änderung der Entropie für diese Reaktion vor.

00:53 Verbindet man diese beiden Größen, so erhält man die sogenannte Gibbs-Energie, die auch freie Enthalpie genannt wird.

00:57 Das Prinzip der Gibbs-Energie ist, dass anhand ihres Wertes entschieden wird, ob eine Reaktion ablaufen kann.

01:06 Man könnte fälschlicherweise denken, dass man nur eine negative Energiedifferenz benötigt, um zu sagen, dass eine Reaktion freiwillig abläuft.

01:14 Reaktanten wollen tatsächlich so reagieren, dass dabei die minimalste Energie notwendig ist.

01:17 Wenn ich zum Beispiel einen Gegenstand anhebe und dann loslasse, fällt er auf sein Energieminimum zurück.

01:23 Atome und Moleküle agieren auf die gleiche Art und Weise.

01:25 Wir müssen jedoch den konkurrierenden Fakt berücksichtigen, dass auch die Entropie maximiert werden soll.

01:31 Die Gibbs-Energie ist also eine Methode, um die Energiemenge, sei es freigewordene oder aufgenommene Energie, bei Reaktionen zu quantifizieren.

01:37 Bei frei werdender Energie laufen Reaktionen freiwillig ab.

01:40 Wir können mit der Gibbs-Energie also feststellen, ob eine Reaktion spontan abläuft oder nicht.

01:44 Diese Gibbs-Energie wird mit dem Großbuchstaben G abgekürzt.

01:47 Die Änderung der Gibbs-Energie für eine bestimmte Reaktion beinhaltet, wie bereits gesagt, nicht nur die Änderung der Enthalpie für diese Reaktion, sondern sie berechnet sich aus der Enthalpie minus der Entropie für diese Reaktion.

02:03 Mit anderen Worten kann man sagen, dass eine Reaktion wahrscheinlicher abläuft, wenn die Reaktion eine große Veränderung der Entropie zur Folge hat, weil die Reaktanten ihre Entropie maximieren wollen.

02:12 Das Minuszeichen zeigt uns, dass die Enthalpie und die Entropie gegeneinander agieren.

02:17 Das Ziel eines Systems bei einer Reaktion ist nämlich, die Enthalpie so klein wie möglich, aber die Entropie so groß wie möglich zu halten.

02:21 Wie Sie an der Temperatureinheit sehen können, spielt auch diese eine Rolle.

02:24 Die Entropie hängt nicht direkt mit der Energie oder der Enthalpie zusammen, sondern ihre Einheit beinhaltet mitunter auch die Temperatur.

02:31 Mit anderen Worten hat die Unordnung eines Systems und wie wir die Unordnung dieses Systems in Bezug auf die Energie oder die Enthalpie des Systems messen mit der Temperatur zu tun, die das System hat.

02:42 Vergessen Sie nicht, was die einzelnen Buchstaben bedeuten, da wir bisher so viele eingeführt haben.

02:47 Delta G stellt die Gibbs-Energie dar, die uns sagt, ob die Reaktion spontan abläuft oder nicht.

02:54 Delta H stellt die Enthalpieänderung der Reaktion dar, die sich berechnen lässt, indem man die Bindungsenthalpie der Edukte von der Bindungsenthalpie der Produkte subtrahiert.

03:06 Delta S zeigt, wie sich die Entropie des Systems verändert.

03:10 T stellt die Temperatur des Systems dar.

03:15 Um zu wissen, ob eine Reaktion freiwillig abläuft, selbst wenn genügend Energie vorhanden ist, um das System voranzubringen, machen wir Folgendes: Wir berechnen die Gibbs-Energie unter der Beachtung der Enthalpie, der Entropie und der Temperatur und schauen, ob die sie dann negativ oder positiv ist.

03:32 Wenn man sich die Berechnung der Gibbs-Energie ansieht, kann man leicht erkennen, ob sie kleiner oder größer als null sein wird.

03:39 Wenn die Gibbs-Energie negativ ist, bedeutet das, dass die Enthalpie klein war und dass das Produkt aus Temperatur und Entropieänderung klein war.

03:50 Mit anderen Worten: je kleiner die Enthalpie und das Produkt aus Temperatur und Entropie sind, desto wahrscheinlicher läuft die Reaktion freiwillig ab.

04:00 Das bedeutet nämlich, dass hierbei wahrscheinlich eine große Menge Energie freigesetzt wird und dass die Entropie wahrscheinlich stark ansteigen wird.

04:07 Um also zu sehen, wie sich eine Reaktion entwickelt, müssen wir auf die Gibbs-Energie achten: Wenn sie negativ ist, kann die Reaktion spontan selbstständig ablaufen.

04:17 Ist die Gibbs-Energie hingegen positiv, so würde man sagen, dass es sich um eine nicht-spontane Reaktion handelt, die nicht einfach oder schnell von selbst eintritt.

04:26 Schließlich ist es auch wichtig zu wissen, dass die Spontanität einer Reaktion, also ob die Reaktion von selbst abläuft, nicht gleichzusetzen ist mit der Fragestellung, ob sie schnell abläuft.

04:37 Was ich damit sagen will, ist, dass eine Reaktion zwar wahrscheinlich spontan ablaufen und eine negative Gibbs-Energie haben kann, aber deswegen muss sie nicht zwingend schnell ablaufen.

04:48 Seien Sie also vorsichtig, wenn Sie die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Wahrscheinlichkeit von Reaktionen vergleichen.

04:54 Bei dem einen Wert geht es darum, wie schnell eine Reaktion abläuft.

04:57 Bei dem anderen Wert stellen wir uns einfach die Frage, ob die Reaktion spontan von selbst ablaufen kann oder nicht.

05:03 All die Variablen, die wir in diesem Kurs eingeführt haben, nämlich die Energie, die Enthalpie, die Entropie und die Gibbs-Energie, können vor allem auf den ersten Blick sehr verwirrend sein.

05:17 Auch das richtige Anwenden dieser Variablen in Gleichungen, um mehr über potenzielle Reaktionen zu erfahren, ist anfangs durchaus verwirrend.

05:22 Ich empfehle Ihnen daher dringend, viele Übungsaufgaben durchzugehen, die die Entropie, die Enthalpie, die Energie und die Gibbs-Energie in verschiedenen Fragestellungen beinhalten und dabei nochmals zu sehen, wie diese zusammenwirken.

05:32 Nachdem wir mit dieser Besprechung eine Basis schaffen konnten, müssen wir noch ein weiteres Thema der Thermodynamik behandeln, bevor wir den Physikkurs beenden.

05:39 Das werden wir nächstes Mal tun.

05:40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.