Advent, Advent, 1 Monat weihnachtliche Laufzeit geschenkt.

Nicht bis zur Bescherung warten, Aktion nur gültig bis zum 18.12.2016!

Textversion des Videos

Transkript Gekoppelte Reaktionen

Hallo und herzlich willkommen. Das Thema des heutigen Videos lautet: gekoppelte Reaktionen. Nach diesem Video weißt du: - was gekoppelte Reaktionen sind - wie Gleichgewichtskonstante und freie Reaktionsenthalpie gekoppelter Reaktionen aus den Werten der Einzelreaktionen berechnet werden - welche Rolle gekoppelte Reaktionen überhaupt spielen.

Um das Video zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen: 1. was ein chemisches Gleichgewicht ist und 2. was die freie Reaktionsenthalpie ist.

Zunächst einmal zu der Frage, was gekoppelte Reaktionen sind. Sagen wir, wir haben eine reversible Reaktion, bei der der Stoff A in den Stoff B reagiert. Dann gibt es aber noch eine zweite reversible Reaktion, bei der eben dieser Stoff B in den Stoff C weiter reagiert. A reagiert zu B und B reagiert weiter zu C. Da es sich hier um Reaktionsgleichungen handelt, kann man sie auch tatsächlich wie mathematische Gleichungen addieren und man erhält dann A+B reagiert zu B+C. Aus dieser neuen Gleichung kann man B durch Subtraktion eliminieren und dann steht nur noch da: A reagiert zu C.

In diesem Beispiel wäre A reagiert zu C die Gesamtreaktion der aneinander gekoppelten Teilreaktionen. A reagiert zu B als Teilreaktion 1 und B reagiert zu C als Teilreaktion 2.

Kurz um, man kann sagen: Gekoppelte Reaktionen sind chemische Reaktionen, die aus mehreren miteinander verbundenen chemischen Gleichgewichten bestehen. Dabei ergibt sich stets der Sachverhalt, dass das Produkt der ersten Teilreaktion als Edukt der darauf folgenden Teilreaktionen dient. Wie gesagt, handelt es sich bei den Teilreaktionen um reversible Reaktionen und damit auch um chemische Gleichgewichte. Interessant wäre da doch, den Zusammenhang zu untersuchen, der zwischen der Gleichgewichtskonstanten der gesamten Reaktion besteht und den Gleichgewichtskonstanten der einzelnen Teilreaktionen, mithin, die Kopplung der Gleichgewichtskonstanten. Sagen wir, wir haben wieder unsere Teilreaktionen A reagiert zu B und B reagiert zu C. Daraus ergibt sich natürlich auch wieder die Gesamtreaktion A reagiert zu C.

Für die erste Teilreaktion können wir mithilfe des Massenwirkungsgesetzes einen Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante K1 finden, der da lautet: Konzentration von B ÷ die Konzentration von A = K1. Analog gilt für die zweite Teilreaktion K2 ist gleich die Konzentration von C ÷ die Konzentration von B. In beiden Ausdrücken kommt die Konzentration von B vor. Wir lösen beide Ausdrücke nach der Konzentration von B auf und erhalten die Ausdrücke für die erste Teilreaktion, die Konzentration von B = K1 × die Konzentration von A und für die zweite Teilreaktion erhalten wir den Ausdruck, die Konzentration von B = die Konzentration von C ÷ K2. Nun können wir diese beiden Ausdrücke gleichsetzen und dann steht da: K1 × die Konzentration von A = die Konzentration von C ÷ K2. Diese Gleichung stellen wir um und dann steht da: K1 × K2 = die Konzentration von C ÷ die Konzentration von A. Das wiederum ist nichts anderes als was sich ergäbe für KGesamt wenn wir auf die Gesamtreaktion das Massenwirkungsgesetz anwenden würden. KGesamt = die Konzentration von C ÷ die Konzentration von A. Wir können also sagen: Die Gleichgewichtskonstante der gekoppelten Gesamtreaktion ist das Produkt der Gleichgewichtskonstanten der einzelnen Teilreaktionen. Oder anders gesagt: KGesamt = K1 × K2.

Dass dem tatsächlich so ist, möchte ich anhand eines ganz konkreten Beispiels demonstrieren. Gegeben sei eine Reihe von aufeinander folgenden reversiblen Reaktionen. Die Erste: 2 NO + O2 reagiert zu 2NO2. Die Zweite: 2SO2 + 2NO2 reagiert zu 2SO3 + 2NO. Die Dritte: 2SO3 + 2H2O reagiert zu 2H2SO4. Koppeln wir diese drei Reaktionen nun zu einer Gesamtreaktion, dann ergibt sich unterm Strich: 2SO2 + 2H2O + O2 reagiert zu 2H2SO4. Wir haben dieses Mal also drei Teilreaktionen, die zu einer Gesamtreaktion gekoppelt werden. Ich möchte diese Reaktionen hier einmal farblich markieren, die erste Teilreaktion ist rot, die zweite blau, die dritte grün und die Gesamtreaktion soll schwarz sein. Nun war unsere These ja gewesen, dass die Gleichgewichtskonstante der Gesamtreaktion sich aus der Multiplikation der Gleichgewichtskonstanten der Teilreaktionen ergibt. In unserem Falle hieße das: KGes = K1 × K2 × K3. Nun, dann schreiben wir doch mal die einzelnen K´s hin, indem wir das Massenwirkungsgesetz auf die einzelnen Teilreaktionen anwenden. Und da steht nun als erster Faktor: die Konzentration von NO2 ins Quadrat ÷ die Konzentration von NO ins Quadrat × die Konzentration von O2. Als zweiter Faktor die Konzentration von SO3 ins Quadrat × die Konzentration von NO ins Quadrat ÷ die Konzentration von SO2 ins Quadrat × die Konzentration von NO2 ins Quadrat  und als dritter Faktor die Konzentration von H2SO4 ÷ die Konzentration von SO3 ins Quadrat × die Konzentration von H2O ins Quadrat. Faktor 1 entspricht K1, Faktor 2 entspricht K2 und Faktor 3 entspricht K3. Nun können wir diese drei Faktoren gegeneinander verrechnen und zwar durch Kürzen. Zum Beispiel können wir die Konzentration von NO ins Quadrat rauskürzen. Die Konzentration von SO3 ins Quadrat kann gekürzt werden und die Konzentration von NO2 ins Quadrat kann ebenfalls gekürzt werden. Am Ende steht dann nur noch KGes = die Konzentration von H2SO4 ÷ durch die Konzentration von SO2 ins Quadrat × die Konzentration von HSO ins Quadrat × die Konzentration von O2. Und das ist ja auch tatsächlich der Ausdruck, der sich ergeben würde, wenn wir das Massenwirkungsgesetz direkt auf die Gleichung der Gesamtreaktion anwenden würden. Also KGes = K1 × K2 × K3, passt!

Wenn man von chemischen Reaktionen spricht, dann ist es natürlich immer interessant, die freie Reaktionsenthalpie zu kennen, denn diese sagt ja etwas darüber aus, ob eine Reaktion spontan ablaufen wird oder nicht. Es wäre folglich interessant zu wissen, wie die freie Reaktionsenthalpie der Gesamtreaktion mit den freien Reaktionsenthalpien der Teilreaktionen zusammenhängt. Sagen wir mal, wir haben wieder zwei Teilreaktionen. Die erste Teilreaktion A reagiert zu B und die zweite Teilreaktion B reagiert zu C. Als Gesamtreaktion ergibt sich unterm Strich A reagiert zu C. Jede dieser drei Reaktionen können wir eine freie Reaktionsenthalpie DeltaG zuordnen, die wir sinnvollerweise DeltaG1, DeltaG2 und DeltaGGes nennen wollen. Nun ist euch sicherlich aufgefallen, dass ich hier die Gleichungen dieser drei Reaktionen farblich anders gestaltet habe, als bisher und das hat auch einen Grund. Wie ihr wisst, ist G die freie Enthalpie, eine Zustandsgröße, daraus ergibt sich auch der Ausdruck DeltaG, der nichts anderes ist, als die Differenz dieser Zustandsgröße, zwischen dem einen Zustand und dem anderen Zustand. In unserem Beispiel wäre der erste Zustand, der blaue Zustand, also A, der zweite Zustand wäre B und C wäre der dritte Zustand. Die Reaktion selbst ist dann jeweils der Übergang von dem einen Zustand in den anderen Zustand. DeltaGGes wäre dann die freie Reaktionsenthalpie der Reaktion A reagiert zu C. Wenn von Zustandsgrößen die Rede ist, ist es außerdem egal, auf welchem Weg man von einem Zustand zum anderen Zustand gelangt. Wenn wir also von A nach C gehen, ist es im Prinzip dasselbe, wie wenn wir erst von A nach B und dann von B nach C gehen. Die freie Reaktionsenthalpie des Weges von A nach B entspricht DeltaG1, und die freie Reaktionsenthalpie des Weges B nach C entspricht DeltaG2. Wir können nun also sagen, DeltaGGes ist dasselbe, wie die Summe aus DeltaG1 und DeltaG2. In Worten ausgedrückt: Die freie Reaktionsenthalpie der gekoppelten Gesamtreaktion setzt sich additiv aus den freien Reaktionsenthalpien der Teilreaktionen zusammen. Bezogen auf unser Beispiel noch mal: DeltaGGes = DeltaG1 + DeltaG2. Nun zur berechtigen Frage, welche Rolle gekoppelte Reaktionen überhaupt spielen. Kommen wir wieder auf unser altes Beispiel zurück. A reagiert zu B, B reagiert zu C und unterm Strich reagiert A zu C. Nun wissen wir ja, dass eine Reaktion nur dann spontan abläuft, wenn sie exergonisch ist. Also, wenn DeltaGGes < 0 ist. Das gilt auch für unsere Gesamtreaktion A reagiert zu C. Sie muss exergonisch sein. DeltaGGes muss kleiner sein als 0. Nun kann es aber sein, dass beispielsweise die erste Teilreaktion endergonisch ist, DeltaG1 > 0. Dass würde aber wiederum bedeuten, dass diese Reaktion niemals von alleine ablaufen würde, obwohl das vielleicht wünschenswert wäre. Zum Glück ist aber die zweite Teilreaktion, B reagiert zu C, sehr exergonisch, also DeltaG2 ist sehr viel kleiner als 0. Da, wie wir wissen, die reinen Reaktionsenthalpien der Teilreaktionen zu der freien Reaktionsenthalpie der Gesamtreaktion addieren, ergibt sich hier insgesamt eine exergonische Gesamtreaktion. Lange Rede, kurzer Sinn: Nur weil die zweite Teilreaktion stark exergonisch ist, kann die erste Teilreaktion stattfinden. Dieser Sachverhalt tritt häufig in der Biochemie auf. Dort hat man es häufig mit Reaktionen zu tun, die von sich aus eigentlich endergonisch sind und gar nicht ablaufen könnten. Durch die geschickte Kopplung mit einer stark exergonischen Reaktion wird diese Reaktion aber dennoch ermöglicht. Zum Beispiel ist an vielen biochemischen Prozessen das Molekül ATP beteiligt. Diese Reaktion ist stark exergonisch. Das macht sich die Biochemie zunutze, indem sie diese Reaktion mit endergonischen Reaktionen koppelt, die von sich aus nicht ablaufen würden, die aber dennoch sinnvoll oder wünschenswert sind. Man kann die Frage nach der Rolle der gekoppelten Reaktionen also damit beantworten, dass man sagt: Durch die Kopplung von endergonischen mit exergonischen Reaktionen kann der spontane Ablauf dieser endergonischen Reaktionen erst möglich gemacht werden. Man spricht vor allem in der Biochemie in diesem Zusammenhang auch von sogenannten "Gruppenübertragungspotenzial". Damit ist einfach nur gemeint, dass die Triebkraft der exergonischen Reaktionen durch Kopplung auf endergonische Reaktionen übertragen wird.

So, und damit wären wir auch schon am Ende des Videos angelangt. Wir haben darin gelernt: 1. Was gekoppelte Reaktionen sind. 2. Wie Gleichgewichtskonstante und freie Reaktionsenthalpie aus den Einzelreaktionen berechnet werden und 3. Welche Rolle gekoppelte Reaktionen spielen. Danke fürs Zuschauen, tschüss und bis zum nächsten Mal    

Informationen zum Video
6 Kommentare
  1. L%c3%a4cheln2

    Du musst Dir das so vorstellen: Alle drei Reaktionen laufen gleichzeitig und im selben Behälter ab. Was die eine Reaktion "produziert" wird von der anderen Reaktion "verbraucht". So bildet sich ein Gleichgewicht aus, das mehrere Gleichgewichtsreaktionen beinhaltet.

    Und wenn Du nun immer noch nichts verstehst, solltest Dir Du vielleicht erst einmal das Video "Chemisches Gleichgewicht" anschauen. Ohne das geht es nämlich nicht.

    Von Götz Vollweiler, vor mehr als 3 Jahren
  2. Default

    Puf jetzt versteh ich gar nix mehr.

    Von Skyliner88, vor mehr als 3 Jahren
  3. L%c3%a4cheln2

    Noch einmal: Da sind drei unabhängige Reaktionsgleichungen, die insofern miteinander zu tun haben (können), dass das Edukt der einen das Produkt der anderen ist. Ist dies der Fall, und handelt es sich außerdem noch um reversible Reaktionen, dann sind sie koppelbar.

    Die beiden NO auf der Eduktseite der ersten Reaktion "kürzen" sich heraus, weil sie gleichzeitig Produkte der zweiten Reaktion sind. Deshalb erscheinen sie dann auch nicht mehr in der Gesamtreaktion.

    Von Götz Vollweiler, vor mehr als 3 Jahren
  4. Default

    Ah ok, alles klar, super, Danke. Also eines der beiden Produkte aus der vorherigen Zeile wird dann zum Edukt in der darauffolgenden Zeile (Reaktion). Aber woher weiß ich denn genau welches der beiden chemischen Produkte in der unabhängigen Teilreaktion dann in der nächsten Teilreaktion das Edukt ist. Beispielsweise in der zweiten Zeile: Da sind die Produkte ja 2SO3 und 2NO. In der dritten (darauffolgenden) Teilreaktion ist dann das 2SO3 aus der Vorzeile dann das Edukt und nicht 2NO. Deshalb nicht weil es schon in der ersten Teilreaktion als Edukt fungiert? Und bei der gekoppelten Reaktion ganz unten verstehe ich nicht warum auf der Eduktseite die 2NO aus der ersten Teilreaktion weggelassen worden sind?!

    Von Skyliner88, vor mehr als 3 Jahren
  5. L%c3%a4cheln2

    Jede Zeile steht für eine einzelne, unabhängige, gegebene Teilreaktion, so auch die zweite. Diese einzelnen Reaktionen können dann wie dargestellt miteinander verkoppelt werden.

    Von Götz Vollweiler, vor mehr als 3 Jahren
  1. Default

    Hi. Das Beispiel ab Minute 5 verstehe ich überhaupt nicht. Wo kommt das 2 SO2 denn in Zeile 2 plötzlich her?

    Von Skyliner88, vor mehr als 3 Jahren
Mehr Kommentare