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Höchstwahrscheinlich haben sich die ersten chemischen Reaktionen, die Sie in der Schule studiert haben, in eine Richtung verschoben. Zum Beispiel wurde Essig in Backpulver gegossen, um einen "Vulkan" herzustellen. In Wirklichkeit sollten die meisten Reaktionen mit einem Pfeil in jede Richtung dargestellt werden, was bedeutet, dass die Reaktion in beide Richtungen verlaufen kann. Durch die Ermittlung der Gibbs'schen freien Energie eines Systems kann festgestellt werden, ob ein Pfeil viel größer als der andere ist. d.h. verläuft die Reaktion fast immer in eine Richtung oder liegen beide nahe an der gleichen Größe? Im letzteren Fall ist es genauso wahrscheinlich, dass die Reaktion in die eine oder die andere Richtung verläuft. Die drei kritischen Faktoren bei der Berechnung der freien Gibbs-Energie sind Enthalpie, Entropie und Temperatur.
Enthalpie
Die Enthalpie ist ein Maß dafür, wie viel Energie in einem System enthalten ist. Eine Hauptkomponente der Enthalpie ist die innere Energie oder die Energie aus der zufälligen Bewegung von Molekülen. Die Enthalpie ist weder die potentielle Energie molekularer Bindungen noch die kinetische Energie eines sich bewegenden Systems. Die Moleküle in einem Feststoff bewegen sich viel weniger als die eines Gases, so dass der Feststoff weniger Enthalpie hat. Die anderen Faktoren bei der Berechnung der Enthalpie sind der Druck und das Volumen des Systems, die in einem Gassystem am wichtigsten sind. Die Enthalpie ändert sich, wenn Sie an einem System arbeiten oder wenn Sie Wärme und / oder Materie hinzufügen oder abziehen.
Entropie
Sie können Entropie als Maß für die Wärmeenergie eines Systems oder als Maß für die Störung des Systems betrachten. Um zu sehen, wie die beiden zusammenhängen, stellen Sie sich ein Glas Wasser vor, das gefriert. Wenn Sie dem Wasser Wärmeenergie entziehen, werden die Moleküle, die sich frei und zufällig bewegten, in einem festen und sehr geordneten Eiskristall eingeschlossen. In diesem Fall war die Entropieänderung für das System negativ; es wurde weniger ungeordnet. Auf der Ebene des Universums nimmt die Entropie immer mehr zu.
Verhältnis zur Temperatur
Enthalpie und Entropie werden von der Temperatur beeinflusst. Wenn Sie dem System Wärme hinzufügen, erhöhen Sie sowohl die Entropie als auch die Enthalpie. Die Temperatur wird auch als unabhängiger Faktor bei der Berechnung der freien Gibbs-Energie berücksichtigt. Sie berechnen die Änderung der freien Gibbs-Energie, indem Sie die Temperatur mit der Änderung der Entropie multiplizieren und das Produkt von der Änderung der Enthalpie für das System abziehen. Daran können Sie erkennen, dass die Temperatur die freie Gibbs-Energie dramatisch verändern kann.
Relevanz bei chemischen Reaktionen
Es ist wichtig, die freie Gibbs-Energie berechnen zu können, da Sie damit bestimmen können, wie wahrscheinlich das Auftreten einer Reaktion ist. Negative Enthalpie und positive Entropie begünstigen eine zukünftige Reaktion. Positive Enthalpie und negative Entropie begünstigen keine zukünftige Reaktion; Diese Reaktionen verlaufen unabhängig von der Temperatur in umgekehrter Richtung. Wenn ein Faktor die Reaktion begünstigt und der andere nicht, bestimmt die Temperatur, in welche Richtung die Reaktion verläuft. Wenn die Änderung der freien Gibbs-Energie negativ ist, wird die Reaktion voranschreiten; Wenn es positiv ist, wird es umgekehrt verlaufen. Wenn es Null ist, ist die Reaktion im Gleichgewicht.