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Textversion des Videos

Transkript Fließgleichgewichte

Hallo und herzlich willkommen. Das Thema dieses Videos lautet Fließgleichgewichte. Nach dem Video weißt du: 1. was Fließgleichgewichte sind und 2. welche Rolle sie spielen. Um das Video richtig zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen, was ein chemisches Gleichgewicht ist, was die Entropie ist und was die freie Enthalpie ist. Dann kann´s ja losgehen. Sagen wir mal, wir haben ein Reaktionsgefäß. In dieses Reaktionsgefäß füllen wir die Substanz A, die dort weiter reagiert zum Stoff B. A wäre das Edukt, B das Produkt. Da es sich bei unserer betrachteten Reaktion aber um eine reversible Reaktion handelt, wird, sobald B entstanden ist, auch B zum Teil wieder zurück reagieren zum Stoff A. Irgendwann wird sich ein chemisches Gleichgewicht ausgebildet haben, bei dem die Konzentrationen von A und B sich nicht mehr ändern. Wenn dieses Gleichgewicht erreicht wurde, dann gilt die Bedingung Delta G (also die Änderung der freien Enthalpie) = 0. Soweit, sogut. Was ich eben gerade beschrieben habe, ist ein ganz normales chemisches Gleichgewicht. Schauen wir uns nun einen zweiten Reaktionsbehälter an. Er unterscheidet sich vom ersten darin, dass er zwei Öffnungen besitzt, eine links, eine rechts. Durch die linke fließt permanent das Edukt A hinein, im Behälter findet dann die Reaktion von A zu B statt und durch die rechte Öffnung fließt ständig Produkt B aus dem Behälter heraus. Kurzum: A reagiert zu B und B wird aus dem Reaktionsgefäß entfernt. Dadurch kann sich aber kein chemisches Gleichgewicht einstellen, weil ja B permanent dem Gleichgewicht entzogen wird und dadurch auch ständig nachgebildet werden muss. Da sich aber kein Gleichgewicht einstellt, kann hier nicht gelten Delta G ist gleich 0, sondern es muss gelten Delta G ist kleiner 0. Das drückt nichts anderes aus, als dass ständig mehr A in B verwandelt wird als B in A. Würden wir nun aber die Konzentrationen der Stoffe A und B im Behälter messen, dann würden wir feststellen, dass die Konzentration von A und die Konzentration von B konstant sind. Zumindest so lange, wie die zugeführte Menge A der abgeführten Menge B entspricht. Wenn das gegeben ist, dann sprechen wir von einem Fließgleichgewicht. Nochmal zurück zu unseren Reaktionsbehältern. Der untere Reaktionsbehälter ermöglicht einen Stoffaustausch mit der Umgebung. Solch ein System nennen wir ein offenes System. Ein Fließgleichgewicht kann sich nur in solch einem offenen System einstellen. Im oberen Behälter ist kein Stoffaustausch mit der Umgebung möglich. Wir sprechen von einem geschlossenen System. In einem geschlossenen System kann sich lediglich ein chemisches Gleichgewicht, manchmal auch thermodynamisches Gleichgewicht genannt, einstellen. Wir können also sagen: In offenen Systemen können sich Fließgleichgewichte ausbilden. Im Fließgleichgewicht, auf Englisch auch "steady state" genannt, sind die Konzentrationen der Edukte und Produkte im System konstant, zumindest dann, wenn die zugeführte Menge an Edukten der abgeführten Menge an Produkten entspricht. Nun zur Frage: Wo spielen Fließgleichgewichte eigentlich eine Rolle? Ein Beispiel ist die Konzeption von Industrieanlagen in der chemischen Industrie. Idealerweise sollte ein Industrieprozess ja so beschaffen sein, dass er kontinuierlich und gleichmäßig, möglichst Tag und Nacht, ablaufen kann. Und das geht eben, indem man Fließgleichgewichte ausnutzt. Sagen wir, wir haben wieder einen Reaktionsbehälter, in dem ein zuführendes Rohr installiert ist und ein abführendes Rohr. Durch das erste Rohr strömt beständig Edukt A in den Behälter hinein. Im Behälter wird das Edukt in das Produkt B umgesetzt und durch das zweite Rohr strömt das Produkt B wieder aus dem Reaktionsbehälter hinaus, zum Beispiel durch Destillation. Es fließt also permanent Edukt A in das Gefäß hinein und es fließt genauso permanent B aus dem Gefäß heraus. Durch Ausnutzung des Fließgleichgewichtes kann der Prozess kontinuierlich gefahren werden. Ein zweites, vielleicht noch wichtigeres, Beispiel sind Lebewesen. Schauen wir uns mal das einfachste Lebewesen an: eine einzelne Zelle mit ihrem Zellkern und den verschiedenen Organellen, sowie einer Membran mit verschiedenen Öffnungen. Durch manche dieser Öffnungen fließt Edukt in die Zelle hinein. Dort wandelt es sich um in das Produkt, welches die Zelle wieder durch andere Öffnungen in der Membran verlässt. Im Falle von Lebewesen, also von Zellen, nennt man das Edukt die Nahrung und das Produkt, das die Zelle verlässt, das Stoffwechselprodukt. Es wird also permanent Nahrung in Stoffwechselprodukte umgewandelt und diesen Prozess nennt man Stoffwechsel oder auch Metabolismus. Würde man die Konzentrationen der Edukte und der Produkte in der Zelle messen, dann würde man feststellen, dass sie mehr oder weniger konstant sind. Es handelt sich also um ein Fließgleichgewicht. Nun ist es ja so, dass die Zelle das Ganze nicht einfach nur zum Spaß macht, sondern sie möchte einen Nutzen daraus ziehen. Den Nutzen, den die Zelle oder das Lebewesen aus diesem Stoffwechsel zieht, ist die Energiegewinnung. Und daher lohnt es sich, den ganzen Prozess unter energetischen Aspekten zu betrachten. Die Nahrung von Lebewesen zeichnet sich in der Regel durch zwei Eigenschaften aus: Zum einen besitzt sie in der Regel eine hohe Enthalpie und zum anderen eine niedrige Entropie. Umgekehrt verhält es sich bei den Stoffwechselprodukten. Sie besitzen in der Regel eine niedrige Enthalpie und eine hohe Entropie. Untersucht man also die Umwandlung der Nahrung in Stoffwechselprodukte, so findet vor allem eine Erniedrigung der Enthalpie statt, bzw. eine Erhöhung der Entropie. Anders formuliert heißt das: Delta H ist kleiner als 0 und Delta S ist größer als 0. Nun wissen wir ja, dass die Triebkraft einer Reaktion beschrieben wird durch Delta G bzw. durch die Gleichung Delta H - T * Delta S = Delta G. Wenn aber Delta H kleiner ist als 0 und Delta S größer ist als 0, dann muss Delta G kleiner als 0 sein. Wir haben es also bei der Umwandlung von Nahrung in Stoffwechselprodukte mit einem exergonen Prozess zu tun, d.h. mit einem Prozess, bei dem freie Enthalpie freigesetzt wird. Diese freie Enthalpie ist die Energie, die die Zelle nutzt für weitere Prozesse. Damit das Ganze funktioniert, muss aber ständig Nahrung zugeführt werden und Stoffwechselprodukte abgeführt werden. Was passiert eigentlich, wenn diese Stoffe nicht mehr zu- oder abgeführt werden, wenn die Zelle sich also in ein geschlossenes System verwandelt? In diesem Moment bildet sich in der Zelle ein chemisches Gleichgewicht aus zwischen Edukten und Produkten, was natürlich verbunden ist mit der Aussage Delta G ist gleich 0. Findet kein Stoffwechsel mehr statt, findet auch kein Energiegewinn mehr statt und das ist gleichbedeutend mit dem Tod der Zelle. An dieser Stelle noch eine weitere wichtige Anmerkung. Bisher sind wir zur Vereinfachung von einem Edukt und einem Produkt ausgegangen. Das entspricht natürlich nicht der Realität. Schauen wir uns nochmal eine Zelle an mit dem Zellkern, so werden wir in der Realität feststellen, dass nicht nur ein Edukt zugeführt wird, sondern ganz viele Edukte. Und es wird auch nicht nur ein Stoffwechselprodukt abgeführt, sondern deren viele. Hinzu kommt noch, dass wir in der Zelle eine ganze Reihe von Zwischenprodukten vorfinden werden, die zwar nicht direkt aufgenommen und abgegeben werden, die aber als Zwischenschritte dennoch entstehen. Kurz gesagt: Die Fließgleichgewichte in Lebewesen sind ziemlich kompliziert, da eine Vielzahl an Stoffen und Reaktionen an ihnen beteiligt sind. Und jeder, der sich jemals ernsthaft mit Biochemie beschäftigt hat, kann ein Lied davon singen. An dieser Stelle sei noch einmal der Begriff "gekoppelte Reaktionen" erwähnt. Es handelt sich dabei um jenes Phänomen, dass man unterschiedliche Gleichgewichtsreaktionen über Zwischenprodukte miteinander verketten oder aneinander koppeln kann. Und zu diesem Thema gibt es ein eigenes Video. Und damit wären wir auch schon am Ende des Videos angelangt. Wir haben darin gelernt, was Fließgleichgewichte sind, auch im Unterschied zu chemischen Gleichgewichten, und welche Rolle Fließgleichgewichte spielen anhand des Beispiels der Lebewesen. Danke für´s Zuschauen und Tschüss.  

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