Gibbs Helmholtz Gleichung - einfach erklärt! // Gibbs Energie, Entropie und Enthalpie 🤯
Rethink Medicine
https://www.youtube.com/watch?v=72V4SWP2g40

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Wer entscheidet, ob eine Reaktion überhaupt ablaufen kann? Die Antwort ist die Gipsenergie, auch freie Enthalpie
0:08 genannt. In diesem Video erfahrt ihr alles, was ihr zu Thermodynamik und zur Gips Helmholzgleichung wissen müsst.
0:18 RLC Mark hat mal kommentiert: "Ich frage mich, woher diese chemischen Verbindungen wissen, was sie machen
0:24 sollen. Irgendwas anhängen, abspalten und so weiter." Der Antwort auf diese Frage versuchen wir in dieser Videoreihe
0:31 zur Thermodynamik und Enzymkinetik etwas näherzukommen. In kurz die Enzymkinetik entscheidet,
0:38 wie schnell eine Reaktion abläuft und die Thermodynamik, ob sie überhaupt von alleine ablaufen kann. Also, wann läuft
0:46 eine Reaktion freiwillig ab und wann braucht sie Hilfe? Das sagt uns die Gipsenergie Delta G.
0:54 Die wird über die Gips Helmholzgleichung berechnet. Zerlegen wir die Formel mal in ihre
1:01 Einzelteile und schauen uns an, was sie bedeutet. Wir beginnen mit Delta H. H ist die Enthpie. Vereinfacht können
1:10 wir auch einfach sagen Wärme. Die Enthalpie beruht auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, dem
1:17 Energieerhaltungssatz, der besagt, dass Energie weder produziert werden kann, noch verloren
1:23 geht. Sie wird lediglich umgewandelt. Ein Beispiel dazu aus dem Alltag, wenn ihr Autofahrt, dann wird dabei Benzin,
1:32 also chemische Energie in Bewegungsenergie und Wärme umgewandelt. Das gleiche Prinzip gilt auch in unserem
1:40 Körper. Der Körper baut Glucose zu Wasser und Kohlenstoffdioxid ab. In jedem Molekül ist eine gewisse Energie
1:48 gespeichert. Man nennt das auch innere Energie. Die innere Energie ist also die gesamte Energie, die in einem Stoff
1:57 gespeichert ist, z.B. in diesem Glucosemolekül. Da zählt die Stoffmenge, die Stoffart,
2:04 die Bindungen, die hier drin sind, sowie auch die Teilchenbewegung, also die Wärme mit rein. Ein Glucosemolekül hat
2:11 also eine gewisse innere Energie X. Und wenn wir das zerlegen, dann haben alle Bausteine, die dabei rauskommen,
2:19 zusammengefasst, auch eine gewisse innere Energie. Und die nennen wir Y.
2:25 Wenn Glucose eine höhere innere Energie hat als alle Produkte zusammen, das heißt, x ist größer als Y, dann ist ja
2:35 irgendwo Energie verloren gegangen. Wir erinnern uns, Energie darf nie verloren gehen. Das heißt, die Differenzenergie
2:44 wurde lediglich als Wärme an die Umgebung abgegeben und die bezeichnet man als Reaktionsenthalpie
2:51 abgekürzt mit Delta H. Die Reaktionsenthalpie ist also die bei der Reaktion abgegebene
3:00 oder aufgenommene Wärmemenge bzw. Energie. Wenn Delta H kleiner als 0 ist, also
3:08 negativ, dann heißt das, dass bei der Reaktion Energie an die Umgebung abgegeben wird. Die Reaktion ist
3:16 Exotherm. Term Wärme geht nach extern außen. Das ist der Fall, wenn die Edukte eine
3:23 höhere innere Energie haben als die Produkte. Noch mal kurz zur Begriffsklärung Edukte
3:30 und Produkte. Edukte sind die Ausgangsstoffe für eine Reaktion, also praktisch die Rohmaterialien
3:37 und Produkte das Ergebnis, also das, was nach der Reaktion rauskommt. Wenn Delta H positiv, also größer als 0
3:47 ist, dann heißt das, die Reaktion ist Enderm. Das heißt, wir müssen Wärme nach innen zuführen, damit die Reaktion
3:55 überhaupt ablaufen kann. Stellt euch so vor, ein Ball rollt von alleine den Berg runter. Das heißt,
4:03 exotherme Reaktionen laufen freiwillig ab. Um den Ball allerdings den Berg hoch zu transportieren, ist Energieaufwand
4:10 nötig, sonst passiert da gar nichts. Endotherme Reaktionen laufen also nicht freiwillig ab.
4:18 Ob eine Reaktion freiwillig abläuft oder nicht, entscheidet aber nicht alleine die Änderung der Enhalpie,
4:26 sondern es gibt noch einen weiteren wichtigen Parameter und das ist Delta S, die Entropie.
4:34 Entropie ist die Unordnung. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass ein System immer Richtung maximale
4:42 Unordnung strebt. Stellt euch z.B. euren Schreibtisch oder euer Zimmer in der Prüfungsphase vor.
4:50 Unentlich wird's von alleine, aber aufräumen bzw. Ordnung machen braucht Energie.
4:57 Die Entropie beschreibt das Maß der Unordnung bzw. genauer gesagt die Summe der möglichen Mikrozustände.
5:05 Was soll das denn jetzt bedeuten? Damit es klarer wird, schauen wir uns mal ein paar Beispiele zur Entropie an.
5:12 Unser erstes Beispiel sind Gasteilchen in einer Box. Wir betrachten die gleichen fünf Teilchen, einmal in einer
5:20 kleinen Box und einmal in einer großen Box. In der kleinen Box ist nicht so viel Platz. Es gibt nur eine begrenzte
5:28 Anzahl an Möglichkeiten, wo die Gasteilchen hin können. Es gibt also wenige mögliche Mikrozustände.
5:36 Die Entropie ist niedrig. In einer großen Box können sich die Gasteilchen frei bewegen. Es gibt also
5:44 viele mögliche Mikrozustände, viele Positionen, an denen die Gasteilchen sein können und deswegen ist die
5:51 Entropie, die Unordnung hier groß. Stellt euch eure Kaffeetasse auf eurem Küchentisch vor. Da habt ihr nur ein
5:59 paar Optionen, wo ihr sie hinstellen könnt. Wenn ihr aber euer gesamtes Zimmer betrachtet, dann kann die
6:06 Kaffeetasse an viel mehr verschiedenen Orten stehen. Die Entropie ist höher, weil wir jetzt mehr mögliche Zustände
6:13 haben. Ein Beispiel aus unserem Körper wäre die Faltung von Proteinen.
6:19 Ein Protein in seiner Primärstruktur, also nur die Aminosäurekette, kann sich in ganz vielen verschiedenen
6:26 Zuständen befinden. Stellt euch vor wie eine Schnur, mit der könnt ihr auch machen, was ihr wollt.
6:33 Nach der Faltung ist das Protein in seiner Terzier bzw. Quarterstruktur eben ganz gezielt geordnet. Die Schnur wurde
6:41 jetzt zu einem Wollkneul aufgerollt. Wir haben aufgeräumt, das heißt, die Unordnung, die Entropie hat abgenommen.
6:51 Schauen wir uns noch mal unser Beispiel von der Enhalpie an. Wenn wir ein Glucosemolekül zu sechs x CO2 und sechs
6:59 mal Wasser abbauen, dann haben wir hier ein großes geordnetes Molekül, das in ganz viele kleine Moleküle zerlegt wird.
7:08 Damit sind natürlich viel mehr verschiedene Zustände möglich. Das heißt, die Unordnung nimmt zu.
7:15 Das Delta steht immer für die Änderung, also die Änderung der Unnung, die Änderung der Enhalpie und so weiter.
7:25 Ist Delta S größer als 0, also positiv, dann heißt das die Unordnung, die Entropie nimmt zu.
7:33 Wenn bei einer Reaktion die Unordnung zunimmt, dann ist das ja mit der natürlichen Tendenz. Das heißt, die
7:40 Reaktion läuft tendenziell ganz gern ab. Ist Delta S kleiner als 0, also negativ, heißt das, die Unordnung nimmt ab, die
7:50 Ordnung nimmt zu. Wenn die Reaktion also irgendwas aufräumen muss, dann läuft sie nicht so gern ab.
7:59 Jetzt gibt es noch einen Faktor, der die Entropie direkt beeinflusst und das ist die Temperatur.
8:06 Je höher die Temperatur ist, desto höher ist auch die Entropie. Das sieht man gut am Beispiel von
8:13 Wasser. In seiner festen Form Eis sind die H2O Moleküle fest geordnet. Wenn wir es erhitzen und es flüssig wird, haben
8:21 die Wassermoleküle schon mehr Optionen. Und wenn wir es noch weiter erhitzen, kriegen wir Wasserdampf und die H2O
8:28 Moleküle können sich frei bewegen. Je höher die Temperatur ist, desto wilder bewegen sich die Teilchen und desto
8:36 höher ist auch die Entropie. Den direkten Zusammenhang der beiden sieht man auch in der Formel, wo die
8:43 Entropie mit der Temperatur multipliziert wird. Ich habe euch noch ein extra Video gedreht, wo wir ein paar
8:49 Fragen durchgehen, die zu diesem Thema in der Prüfung dranommen könnten. Das gibt's im Mitgliederbereich auf meinem
8:55 Kanal. Wenn ihr mich für ein bisschen Bonusmaterial supporten möchtet, schaut da gern mal vorbei. Vielen Dank für
9:02 euren Support. Weiter geht's mit dem Video. Der Mensch ist ein offenes
9:07 thermodynamisches System. Das heißt, dass wir ständig Materie wie z.B. Sauerstoff, Wasser oder Nährstoffe und
9:15 Energie wie z.B. Wärme mit unserer Umgebung austauschen. Nur durch diesen ständigen Austausch ist es uns möglich,
9:22 die innere Ordnung, die Homostase aufrecht zuerhalten, entgegen der natürlichen Tendenz zur Unnung.
9:31 Jetzt, wo wir alle Parameter geklärt haben, schauen wir uns an, was die Gipshelmholzgleichung bedeutet. Die
9:37 Gipsenergie entscheidet also, ob eine Reaktion freiwillig abläuft. Sie wird errechnet aus der Veränderung der
9:44 Enthalpie, der Veränderung der Entropie bei der Reaktion und der Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet. In manchen
9:53 Büchern steht hier unten noch so ein kleines R. Lasst euch davon nicht verwirren, das R steht einfach für
9:59 Reaktion, also die Veränderung der Entropie bei der Reaktion und so weiter. Falls euch
10:06 die Einheiten interessieren, habe ich die hier unten klein drunter geschrieben. K steht für Kelvin, Joule
10:12 ist die Energie und Mol die Stoffmenge. Wenn die Gipsenergie bei einer Reaktion negativ ist, heißt das, die Reaktion
10:22 läuft spontan, also freiwillig ab. Es wird dabei Energie nach außen freigesetzt. Die Reaktion ist
10:29 hexagonisch. Ist die Gipsenergie größer als 0, also positiv, heißt das, wir müssen Energie
10:37 zuführen, damit die Reaktion ablaufen kann. Eine solche Reaktion läuft nicht freiwillig ab, sie ist ergonisch.
10:46 Wenn die Gipsenergie null ist, bedeutet das, die Reaktion ist im Gleichgewicht. Das heißt, hinreaktion und Rückreaktion
10:54 laufen gleich schnell ab. Es gibt keine Triebkraft mehr, die die Reaktion in die eine oder andere Richtung anschiebt. Die
11:02 Konzentration von Produkten und Edukten bleibt konstant. Achtung, das bedeutet nicht, dass die
11:09 Konzentration von Produkten und Edukten gleich groß ist. Es bedeutet nur, dass sich die Konzentrationen nicht mehr
11:16 verändern. Um das Ganze noch ein bisschen besser zu verstehen, habe ich euch hier noch eine
11:21 Tabelle mitgebracht. Alles, was gut für das freiwillige Ablaufen einer Reaktion ist, habe ich
11:27 euch in grün markiert und alles, was schlecht dafür ist, in rot. Wenn bei einer Reaktion Wärmefrei wird,
11:35 die Enthpie ist also negativ und gleichzeitig die Unordnung zunimmt, die Entropie ist also positiv, dann läuft
11:44 diese Reaktion bei jeder Temperatur spontan ab. Die Reaktionsbedingungen sind also optimal.
11:52 Wenn ich bei einer Reaktion Energie zuführen muss und gleichzeitig die Ordnung zunimmt, dann läuft diese
11:59 Reaktion nie freiwillig ohne Hilfe ab. Jetzt gibt's noch zwei Grenzfälle, wo die Temperatur entscheidet. Wenn bei
12:07 einer Reaktion Wärme frei wird, aber gleichzeitig die Ordnung zunimmt, dann läuft diese Reaktion nur bei niedrigen
12:15 Temperaturen spontan ab. Und wenn bei einer Reaktion Energie zugeführt werden muss, aber die
12:22 Unordnung zunimmt, dann läuft diese Reaktion nur bei hohen Temperaturen spontan ab. Um das zu verstehen, schauen
12:30 wir uns noch mal kurz die Gips Helmholzgleichung an. Eine Reaktion läuft ab, wenn Delta G negativ ist. In
12:39 unserem letzten Beispiel war die Reaktion Enderm. Das heißt, wir müssen Energie zuführen.
12:46 Gleichzeitig nimmt die Unordnung aber ebenfalls zu. Wenn Enthpie und Entropie um den
12:53 gleichen Betrag zunehmen und die Temperatur auch 1 ist, dann haben wir 1- 1 x 1, also 0. Das heißt, die Reaktion
13:03 ist im Gleichgewicht. Wenn wir jetzt aber die Temperatur erhöhen, dann wird die Unnung verstärkt.
13:11 In unserem Beispiel Enhalpie und Entropie sind immer noch 1, aber die Temperatur wurde auf 2 verdoppelt. Damit
13:19 haben wir 1- 2 x 1, also 1 - 2 und das ist -1. Delta G ist also negativ und die
13:30 Reaktion läuft bei höheren Temperaturen spontan ab. Übrigens, wenn die Gipsenergie einer
13:36 Reaktion positiv ist, heißt das nicht nur, dass die Reaktion in der Regel nicht freiwillig abläuft, sondern es
13:43 heißt auch, dass die Rückreaktion in der Regel freiwillig abläuft, weil diese ja dann Hexagon ist und dabei energiefrei
13:51 wird. Man könnte hier auch sagen, die Reaktion läuft rückwärts. Jetzt gibt's auch noch Delta G0. Was ist
14:00 jetzt der Unterschied zwischen Delta G und Delta G0? Delta G bestimmt die momentane Richtung der Reaktion, also
14:08 läuft sie gerade vorwärts oder rückwärts. Delta G0 ist die Gipsenergie bei biochemischen Standardbedingungen,
14:16 also bei einbar Luftdruck, 25° CSUS und einem pH-Wert von 7. Delta G0 bestimmt die Lage des Reaktionsgleichgewichts bei
14:25 Standardbedingungen. Wenn Delta G0 negativ ist, ist das Reaktionsgleichgewicht eher auf der
14:31 Produktseite, weil die Reaktion eher vorwärts läuft. Ist Delta G0 positiv, ist das Reaktionsgleichgewicht eher auf
14:40 der Eduktseite. Was macht unser Körper jetzt bei Reaktionen, die nicht freiwillig
14:45 ablaufen, die alsoonisch sind? Unser Körper nutzt vor allem drei Strategien, umgonische Reaktionen
14:54 trotzdem ablaufen zu lassen. Die erste Möglichkeit ist es, die entagonische Reaktion an eine
15:00 hexagonische zu koppeln, die dann eben als Energiequelle dient. Dabei ist es nur wichtig, dass dann das Gesamtdag
15:08 beider Reaktionen zusammen negativ ist. Es muss also mehr Energie bei der hexagonischen Reaktion frei werden, als
15:16 für die Agonische benötigt wird. Eine hexagonische Reaktion, die der Körper häufig an Reaktionen koppelt, die
15:24 sonst nicht ablaufen würden, ist die Hydrolyse von ATP. Als Beispiel habe ich euch mal den
15:31 ersten Schritt der Glykolyse aufgemalt. Glucose wird zu Glucose 6 Phosphat. Das Anhängen einer Phosphatgruppe an Zucker
15:39 ist eine aggonische Reaktion, braucht also Energie und diese Energie liefert das Abspalten
15:46 des Phosphats von ATP. Das ist nämlich eine stark hexagonische Reaktion. Die zweite Möglichkeit, die der Körper
15:55 hat, umgagonische Reaktionen trotzdem ablaufen zu lassen, ist die Veränderung der Konzentrationen von Produkten und
16:03 Edukten in der Zelle. Laut dem Massenwirkungsgesetz kann man Delta G ja durch die Konzentrationen der
16:09 Reaktionspartner beeinflussen. Unsere Zellen können die Konzentrationen von Produkten und Edukten z.B. durch den
16:18 Transport aus der Zelle oder ihre Weiterverstoffwechslung verändern. Die dritte Möglichkeit ist die
16:25 Verwendung von Koenzymen wie z.B. NAD oder FAD. Koenzyme können Elektronen oder
16:32 energiereiche Zwischenstufen für die Agonische Reaktion bereitstellen. Das entspricht im Prinzip aber auch wieder
16:39 nur der Kopplung an eine hexagonische Reaktion. Und damit sind wir bei der
16:44 Zusammenfassung. Die Gipsenergie entscheidet, ob eine Reaktion freiwillig ablaufen kann. Sie
16:52 wird aus drei Parametern errechnet. der Enhalpie Alias Wärme, die sagt uns, ob bei der Reaktion Wärme frei wird oder
17:02 ob wir dafür Wärme zuführen müssen. Der Entropie Alias Unordnung, die sagt uns, ob wir mit der Reaktion aufräumen oder
17:11 eher Chaos veranstalten. Und der Temperatur, je höher die ist, desto höher ist auch die Entropie.
17:20 Ist Delta G negativ, bedeutet das, die Reaktion ist hexagonisch. Es wird dabei energiefrei. Die Reaktion läuft also
17:28 spontan ab. Ist Delta G positiv, ist die Reaktion entagonisch. Sie benötigt also eine Energiezufuhr, um ablaufen zu
17:37 können. Sie läuft also nicht von alleine ab, bzw. sie läuft von alleine rückwärts.
17:45 Wenn Delta G0 ist, ist die Reaktion im Gleichgewicht und Hinreaktion und Rückreaktion laufen gleich schnell ab.
17:53 Wenn eine Reaktion nicht freiwillig abläuft, hat der Körper zwei Möglichkeiten, diese Reaktion trotzdem
17:59 ablaufen zu lassen. Er kann sie an eine hexagonische Reaktion als Energiequelle koppeln oder die Konzentrationen der
18:07 Reaktionspartner verändern. Wenn euch das Video gefallen hat, gibt's hier das nächste Video zu entzymen und
18:14 hier besprechen wir noch ein paar mögliche Prüfungsfragen zu diesem Thema. Mein Name ist Leon, euer Guide durchs
18:20 Studium und wir sehen uns im nächsten Video.