Das chemische Gleichgewicht

Chemische Reaktionen laufen in Richtung auf ein dynamisches Gleichgewicht ab, in dem nebeneinander sowohl Ausgangssubstanzen (Reaktanten) als auch Raktionsprodukte vorliegen, in dem sich die Substanzmengen aber nicht mehr ändern. In manchen Fäellen ist die Konzentration der Produkte sehr viel größer als die Konzentration der Reaktanten, so dass man die Reaktion praktisch als "vollständig" ansehen kann. Oft sind aber in einer Gleichgewichtsmischung sowohl Reaktanten als auch Produkte in erheblicher Konzentration vorhanden. Mit Hilfe der Thermodynamik können wir die Gleichgewichtszunahme für die verschiedensten Reaktionsbedingungen berechnen, was natürlich von großer praktischer Bedeutung ist. Wenn beispielsweise eine Anlage möglichst wirtschaftlich arbeiten soll, dann müssen wir maximale Ausbeute erreichen. Müssen wir dazu die Temperatur oder den Druck erhöhen oder erniedrigen? Die Thermodynamik liefert uns ein recht einfaches Konzept, nach dem wir diese Entscheidung treffen können.

Von Interesse ist auch die Frage, wie die Nahrungsmittel in die komplizierte Kette von biochemischen Reaktionen eingehen. Einige Reaktionen (z.B. die Oxidation von Kohlehydraten) laufen spontan ab; sie lassen sich mit anderen Reaktionen koppeln und treiben diese dann in einer ihrer natürliche Tendenz entgegengesetzten Richtung (dazu gehört die Biosynthese der Proteine). Mit Hilfe der Thermodynamik kann man ermitteln, welche Reaktionen angetrieben werden müssen und wie groß die Triebkraft spontaner Reaktonen ist.

Wir wissen, dass bei konstanter Temperatur und konstantem Druck alle Vorgänge spontan in Richtung auf kleinere Werte der Freie Enthalpie G ablaufen. Betrachten wir z.B. die Reaktionsgleichung A + B → C + D, so können wir entscheiden, ob die Reaktion freiwillig in der angegebenen Richtung abläuft, wenn wir die Freie Enthalpie der Mischung für verschiedene Zusammensetzungen berechnen und die Lage des Minimums bestimmen. Dann läßt sich voraussagen, wieweit A und B in C und D übergehen. Was wir also brauchen, ist eine Beziehung für den Zusammenghang zwischen der Freien Enthalpie und der Zusammensetzung der Reaktionsmischungen.

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