EXERGONISCHE REAKTION: EIGENSCHAFTEN UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Eine exergonische Reaktion tritt spontan auf und geht im Allgemeinen mit einer Energiefreisetzung in Form von Wärme, Licht oder Schall einher. Wenn Wärme freigesetzt wird, wird gesagt, dass wir einer exothermen und exergonischen Reaktion gegenüberstehen.

Deshalb werden die Begriffe "exotherm" und "exergonisch" verwechselt und fälschlicherweise als Synonyme behandelt. Dies liegt daran, dass viele exotherme Reaktionen auch exergonisch sind. Wenn daher eine starke Freisetzung von Wärme und Licht beobachtet wird, wie sie beispielsweise durch das Entzünden eines Feuers verursacht wird, kann davon ausgegangen werden, dass es sich um eine exergonische Reaktion handelt.

Die Verbrennung von Holz ist ein Beispiel für eine exotherme und gleichzeitig exergonische Reaktion. Quelle: Pixnio.

Die freigesetzte Energie kann jedoch unbemerkt bleiben und ist möglicherweise nicht so überraschend. Beispielsweise kann sich ein flüssiges Medium leicht erwärmen und dennoch das Ergebnis einer exergonischen Reaktion sein. Bei einigen zu langsamen exergonischen Reaktionen wird nicht einmal der geringste Temperaturanstieg beobachtet.

Der zentrale und charakteristische Punkt dieser Art von thermodynamischen Reaktionen ist die Abnahme der freien Gibbs-Energie in den Produkten in Bezug auf die Reaktanten, was sich in Spontaneität niederschlägt.

Eigenschaften exergonischer Reaktionen

Allgemeines Diagramm

Energiediagramm für eine exergonische Reaktion. Quelle: Gabriel Bolívar.

Das Hauptmerkmal einer exergonischen Reaktion ist, dass die Produkte niedrigere freie Gibss-Energien aufweisen als die Reaktanten oder Reaktanten (oberes Bild). Diese Tatsache ist normalerweise damit verbunden, dass die Produkte chemisch stabiler sind, stärkere Bindungen, dynamischere Strukturen oder „komfortablere“ Bedingungen aufweisen.

Daher ist diese Energiedifferenz ΔG negativ (ΔG <0). Da die Reaktion negativ ist, sollte sie theoretisch spontan sein. Diese Spontaneität wird jedoch auch von anderen Faktoren definiert, z. B. Aktivierungsenergie (Höhe des Hügels), Temperatur und Änderungen der Enthalpie und Entropie.

Alle diese Variablen, die auf die Art des betrachteten Phänomens oder der betrachteten chemischen Reaktion reagieren, ermöglichen es zu bestimmen, ob eine Reaktion exergonisch ist oder nicht. Und es wird sich auch zeigen, dass es nicht unbedingt eine exotherme Reaktion sein muss.

Wenn die Aktivierungsenergie sehr hoch ist, benötigen die Reaktanten die Hilfe eines Katalysators, um die Energiebarriere zu senken. Deshalb gibt es exergonische Reaktionen, die bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten auftreten oder die überhaupt nicht auftreten.

Abnahme der freien Energie des Systems

Der folgende mathematische Ausdruck umfasst das oben Genannte:

ΔG = ΔH - TΔS

Der ΔH-Term ist positiv, wenn es sich um eine endotherme Reaktion handelt, und negativ, wenn er exotherm ist. Wenn ΔG negativ sein soll, muss der TΔS-Term sehr groß und positiv sein, damit beim Subtrahieren von ΔH auch das Ergebnis der Operation negativ ist.

Daher, und dies ist eine weitere Besonderheit exergonischer Reaktionen: Sie beinhalten eine große Änderung der Entropie des Systems.

Unter Berücksichtigung aller Begriffe können wir also vor einer exergonischen Reaktion anwesend sein, aber gleichzeitig endotherm; das heißt, mit positivem ΔH eine sehr hohe Temperatur oder eine große Entropieänderung.

Die meisten exergonischen Reaktionen sind auch exotherm, denn wenn ΔH negativ ist und durch Subtrahieren eines anderen noch negativeren Terms folglich ein ΔG mit einem negativen Wert erhalten wird; es sei denn, TΔS ist negativ (die Entropie nimmt ab), und daher würde die exotherme Reaktion endergonisch (nicht spontan) werden.

Es ist wichtig hervorzuheben, dass die Spontaneität einer Reaktion (ob exergonisch oder nicht) stark von den thermodynamischen Bedingungen abhängt. während die Geschwindigkeit, mit der es passiert, auf kinetische Faktoren zurückzuführen ist.

Spontanität einer exergonischen Reaktion

Aus dem Gesagten ist bereits bekannt, dass eine exergonische Reaktion spontan ist, unabhängig davon, ob sie exotherm ist oder nicht. Zum Beispiel kann eine Verbindung in Wasser gelöst werden, indem sie zusammen mit ihrem Behälter gekühlt wird. Dieser Auflösungsprozess ist endotherm, aber wenn er spontan abläuft, wird er als exergonisch bezeichnet.

Exotherme Reaktion

Es gibt "mehr exergonische" Reaktionen als andere. Um dies herauszufinden, halten Sie den folgenden Ausdruck erneut bereit:

ΔG = ΔH - TΔS

Die exergonischsten Reaktionen treten bei allen Temperaturen spontan auf. Das heißt, unabhängig vom Wert von T in dem obigen Ausdruck ist ΔH negativ und ΔS positiv (ΔH <0 und ΔS> 0). Es handelt sich also um sehr exotherme Reaktionen, was der ursprünglichen Idee nicht widerspricht.

Ebenso kann es zu exothermen Reaktionen kommen, bei denen die Entropie des Systems abnimmt (ΔS <0); so wie es bei der Synthese von Makromolekülen oder Polymeren geschieht. In diesem Fall handelt es sich nur bei niedrigen Temperaturen um exergonische Reaktionen, da sonst der TΔS-Term sehr groß und negativ wäre.

Endotherme Reaktion

Andererseits gibt es Reaktionen, die nur bei hohen Temperaturen spontan sind: wenn ΔH positiv und ΔS positiv ist (ΔH> 0 und ΔS> 0). Wir sprechen über endotherme Reaktionen. Deshalb kann es spontan zu Temperaturabfällen kommen, da sie eine Zunahme der Entropie mit sich bringen.

Inzwischen gibt es Reaktionen, die überhaupt nicht exergonisch sind: wenn ΔH und ΔS positive Werte haben. In diesem Fall wird die Reaktion unabhängig von der Temperatur niemals spontan ablaufen. Wir sprechen von einer nicht spontanen endergonischen Reaktion.

Beispiele für exergonische Reaktionen

Die Chemie ist normalerweise explosiv und hell, daher wird angenommen, dass die meisten Reaktionen exotherm und exergonisch sind.

Verbrennung

Exergonische Reaktionen sind die Verbrennung von Alkanen, Olefinen, aromatischen Kohlenwasserstoffen, Zuckern usw.

Metalloxidationen

Ebenso sind Oxidationen von Metallen exergonisch, obwohl sie langsamer ablaufen.

Katabolische Reaktionen des Körpers

Es gibt jedoch andere subtilere Prozesse, die ebenfalls exergonisch und sehr wichtig sind: die katabolen Reaktionen unseres Stoffwechsels. Hier werden Makromoleküle abgebaut, die als Energiespeicher fungieren, sich in Form von Wärme und ATP freisetzen und dank denen der Körper viele seiner Funktionen erfüllt.

Die emblematischste dieser Reaktionen ist die Zellatmung im Gegensatz zur Photosynthese, bei der Kohlenhydrate mit Sauerstoff „verbrannt“ werden, um sie in kleine Moleküle (CO ₂ und H ₂ O) und Energie umzuwandeln .

Andere

Unter anderen exergonischen Reaktionen haben wir die explosive Zersetzung von Stickstofftriiodid, NI ₃ ; die Zugabe von Alkalimetallen zu Wasser, gefolgt von einer Explosion; Polymersynthese von ethoxylierten Harzen; Säure-Base-Neutralisationen in wässriger Lösung; und chemolumineszierende Reaktionen.

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