Die freie Energie eines Systems
Die Entropie ist eine schwer messbare Größe zur Beschreibung eines
Prozesses, da sie die Kenntnis der Entropieänderungen sowohl des Systems, als auch dessen Umgebung voraussetzt. Aus diesem Grund
wurde die Größe der freien Energie eines Systems definiert, die eine
Kombination aus dem Ersten und Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik darstellt. Die freie Energie (auch genannt freie Enthalpie) ist
vom Weg oder molekularen Mechanismus der Umwandlung unabhängig und ist definiert als:
(1)Diese Gleichung wird auch als Gibbs-Funktion bezeichnet.
ΔGist ein Maß dafür, ob eine Reaktion spontan stattfinden kann. Es gelten folgende Zusammenhänge:
-
ΔG
<
0
: Reaktion kann spontan ablaufen: exergonische Reaktion
-
ΔG
=
0
: Reaktion ist im Gleichgewicht
-
ΔG
>
0
: Reaktion kann nicht spontan ablaufen: endergonische Reaktion
Die Bedeutung des Konzeptes der freien Energie für Stoffwechselreaktionen
Die Änderung der freien Energie eines Systems ist demnach von der Änderung der freien Enthalpie ΔH und
der Änderung der Entropie ΔS abhängig. ΔG kann nichts über die Reaktionsgeschwindigkeit
aussagen; diese ist über die freie Aktivierungsenergie ΔG definiert. Dies spielt besonders bei
Stoffwechselvorgängen eine große Rolle. Ungeachtet der chemischen Reaktion, die einer bestimmten Stoffwechselreaktion zugrunde
liegt, kann eine Reaktion mit einem stark negativen ΔG-Wert trotzdem mit sehr langsamer Geschwindigkeit
ablaufen. Erst der Einsatz eines Enzyms beschleunigt eine solche Reaktion auf ein sinnvolles Maß. Dadurch wird jedoch der ΔG-Wert einer Reaktion nicht verändert; ein Katalysator verändert lediglich die Geschwindigkeit einer Reaktion.
Die Polarität des Mediums kann zum Beispiel Einfluss auf den Ablauf einer Reaktion nehmen.
