Die freie Gibbs-Energie beantwortet die Frage, die sich jeder Chemiker irgendwann zu einer Reaktion stellt: Wird sie von selbst ablaufen? Durch die Kombination der Menge an Wärme, die eine Reaktion freisetzt oder absorbiert (ΔH), mit der Menge an Unordnung, die sie bei einer bestimmten Temperatur erzeugt oder entfernt (ΔS), ergibt ΔG eine einzelne Zahl, deren Vorzeichen die Frage klärt – zumindest, ob die Reaktion thermodynamisch günstig ist, nicht unbedingt, wie schnell sie abläuft.

So wird ΔG berechnet

Die Gibbs-Gleichung der freien Energie, ΔG = ΔH − TΔS, gewichtet zwei konkurrierende Tendenzen: Reaktionen neigen dazu, Energie freizusetzen (begünstigt negatives ΔH) und neigen dazu, die Unordnung zu erhöhen (begünstigt positives ΔS), und die Temperatur steuert, wie wichtig der Entropieterm ist. Bei niedriger Temperatur dominiert der ΔH-Term; Bei hoher Temperatur dominiert der TΔS-Term. Der Einheitenunterschied zwischen ΔH (kJ) und ΔS (J/K) ist die klassische Falle der Berechnung – ΔS muss in kJ/K (durch 1000 dividieren) umgewandelt werden, bevor es von ΔH subtrahiert werden kann, und dieser Rechner führt diese Umrechnung automatisch durch.

Lesen des Vorzeichens von ΔG

Ein negatives ΔG bedeutet, dass die Reaktion spontan (exergonisch) ist – sie kann ohne Energiezufuhr von außen ablaufen, obwohl sie bei hoher Aktivierungsenergie immer noch langsam sein kann. Ein positives ΔG bedeutet, dass die Reaktion wie beschrieben nicht spontan (endergonisch) ist; Es erfordert eine kontinuierliche Energiezufuhr, um fortzufahren, oder es kann stattdessen spontan in die umgekehrte Richtung laufen. Ein ΔG bei oder nahe Null bedeutet, dass sich das System im oder nahe dem Gleichgewicht befindet, in dem sich Vorwärts- und Rückwärtsraten ungefähr ausgleichen.

Warum sich Spontaneität mit der Temperatur ändern kann

Da die Temperatur den Entropieterm vervielfacht, kann sich die Spontaneität einer Reaktion umkehren, wenn sich die Temperatur ändert, wenn ΔH und ΔS das gleiche Vorzeichen haben. Wenn ΔH > 0 und ΔS > 0 (absorbiert Wärme, erhöht die Unordnung), wird die Reaktion erst oberhalb einer Übergangstemperatur spontan. Wenn ΔH < 0 und ΔS < 0 (setzt Wärme frei, verringert Unordnung), erfolgt die spontane Reaktion nur unterhalb einer Übergangstemperatur. Wenn ΔH und ΔS entgegengesetzte Vorzeichen haben, ist die Reaktion bei jeder Temperatur spontan (ΔH < 0, ΔS > 0) oder bei keiner Temperatur spontan (ΔH > 0, ΔS < 0) – die Registerkarte „Crossover Temp“ zeigt dies an, indem sie eine negative oder anderweitig nichtphysikalische Temperatur zurückgibt.