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Freie Enthalpie


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Freie Enthalpie (G) klassisch auch Gibbs' freie Energie Gibbs-Potential oder freie Reaktionsenthalpie genannt. Der Begriff freie Standardenthalpie (G o bzw. G o ') wird im Textverlauf eingeführt.

Chemische Reaktionen und enzymatische Umsetzungen gehorchen Gesetzen der Thermodynamik . Die Thermodynamik beschreibt Beziehungen zwischen verschiedenen und beantwortet die Frage ob unter welchen und in welchem Umfang z.B. die chemische enzymatische Umsetzung

abläuft. Hier ist das entscheidende Kriterium freie Enthalpie G. Für die Änderung der Enthalpie ΔG während einer Reaktion gilt

  • ΔG < 0 (negativ): exergone Reaktion unter den gegebenen Bedingungen (Konzentrationen) spontan abläuft;
  • ΔG = 0 Gleichgewichtssituation: keine Reaktion;
  • ΔG > 0 (positiv): endergone Reaktion Ablauf in der angegebenen Richtung Energiezufuhr (in von Arbeit) erforden würde.

Bezogen auf eine die obige Reaktionsgleichung für die Änderung der freien Enthalpie ΔG

Darin sind [A] bis [D] die Konzentrationen der entsprechenden Moleküle (Metabolite) und a d ihre Stöchiometrien . R steht für die Gaskonstante:

  • R=8.31434.10-3 [kJ/(mol.grd)] früher: R=1.98717.10-3 [kcal/(mol.grd)]
  • T ist die absolute Temperatur (in Enzymkinetik nach Konvention 298 K entsprechend 25 und
  • ΔG o eine reaktionsspezifische Konstante die noch abzuleitende freie Standardenthalpie .
Schon an dieser Stelle zeichnet sich allerdings dass ΔG o = ΔG wird wenn alle Edukte Produkte in Konzentrationen von 1 mol/l vorliegen somit ln(([C] c [D] d )/([A] a [B] b ) gleich Null wird. Aufgrund des Vorzeichens aus ΔG o also die (hypothetische) Reaktionsrichtung bei 1 Konzentrationen aller Reaktionspartner abgelesen werden (sog. " Standardbedingungen ").
ΔG o ':Abweichend von der Chemie beinhalten Standardbedingungen biochemischer einen pH-Wert von 7; dies wird gelegentlich kenntlich gemacht dass statt ΔG o ein Begriff ΔG o ' eingeführt wird.

Die Gleichgewichtseinstellung der Reaktion folgt bei Ausgangskonzentrationen [A] bis [D] dem Kriterium minimaler Enthalpie. Im Gleichgewicht ändert sich ΔG definitionsgemäß mehr und mit ΔG = 0 wird

Zusammen mit der aus dem Massenwirkungsgesetz Definition der Gleichgewichtskonstanten K = ([C] c [D] d )/([A] a [B] b ) ergibt sich vereinfachend

Hierdurch wird illustriert dass sich ΔGo der entsprechenden Gleichgewichtskonstanten bei derselben Temperatur ermitteln Somit ist die Änderung der freien Standardenthalpie charakteristische thermodynamische Konstante einer jeden Reaktion.

Es ist wichtig die unterschiedlichen Definitionen der ΔG (Änderung der freien Enthalpie) und ΔG o (Änderung der freien Standardenthalpie) genau zu und zu verstehen.
Hier soll der Unterschied anhand einer plausibel gemacht werden: so wie der pK-Wert einer schwachen Säure bei gegebener Temperatur Konstante ist ist ΔG o die Konstante einer jeden Reaktion. Auf anderen Seite ist ΔG mit der Konzentration Reaktionspartner veränderlich etwa so wie sich der pH-Wert in der Lösung einer schwachen Säure den Konzentrationen der Protonendonoren und -akzeptoren ändert. zwischen ΔG und ΔG o herrscht nur bei (hypothetischen) Konzentrationen von mol/l (1M) und zwar gleichzeitig für alle und Produkte. Dies entspricht der Bedingung pH pK wenn Protonendonor und -akzeptor gleichkonzentriert sind.

Damit wird klar dass ΔG derjenige ist welcher die Reaktionsrichtung bestimmt (bei negativem liegt die Reaktionsrichtung auf der Produktseite d.h. freie Enthalpie kann beim Reaktionsverlauf einem Minimum Andererseits kann eine durch positives ΔG o gekennzeichnete Reaktion durchaus in der geschriebenen ablaufen sofern die Ausgangskonzentrationen ein negatives ΔG

Tabelle: Gleichgewichtskonstante K und ΔG o : Nur die Daten für exergone Reaktionen ΔG o d.h. unter Standardbedingungen ablaufend) sind gezeigt. Umkehrung der Vorzeichen d.h. endergone Reaktionen gelten K die Kehrwerte. Nach dem zweiten Hauptsatz Thermodynamik ΔG = ΔH - TΔS können exergone Reaktionen diese Eigenschaft haben sie exotherm verlaufen (ΔH negativ) oder weil Entropie -getrieben sind (ΔS positiv).

K

) G o [kJ/mol]

1

0

10

-6

100

-11

1000

-17

10000

-23

1E5

-29

  

Siehe auch

Redox-Potential Helmholz-Potential (Freie Energie) Gruppenübertragungspotential Formelsammlung Wärmelehre

Weblinks



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