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Gibbs-Energie: Was ist damit gemeint?

Zustandsgröße, definiert durch G = H − TS (auch freie Enthalpie). Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck laufen Vorgänge freiwillig in der Richtung ab, in der G abnimmt, und der Zustand mit minimalem G ist das Gleichgewicht.

Japanische Bezeichnung: ギブスエネルギー

„Gibbs-Energie“ kommt in 5 Übungsfragen aus 3 Themen vor, darunter Thermodynamik der Werkstoffe, Computergestützte Materialwissenschaft, Batterie- und Energiewerkstoffe.

Fachgebiet: Thermodynamik der Werkstoffe

Selbst ausprobieren: Fragen zu Gibbs-Energie

Die Standardänderung der Gibbs-Energie der Reaktion H₂ + 1/2 O₂ → H₂O(l), bei der aus Wasserstoff und Sauerstoff flüssiges Wasser entsteht, beträgt bei 25 °C −237 kJ/mol. Welcher Wert kommt der theoretischen Zellspannung einer Brennstoffzelle mit dieser Reaktion am nächsten? Die Faraday-Konstante beträgt 96485 C/mol.

  1. Aca. 2,46 V
  2. Bca. 1,23 V
  3. Cca. 0,61 V
Lösung und Erläuterung anzeigen

Lösung: B. ca. 1,23 V

Die theoretische Zellspannung beträgt E = −ΔG/(nF); bei der Reaktion von 1 mol H₂ werden 2 mol Elektronen übertragen, also ist n = 2. Es ergibt sich E = 237×10³ / (2 × 96485) ≈ 1,23 V. Ca. 2,46 V setzt fälschlich n = 1, ca. 0,61 V kombiniert die Elektronenzahl pro Mol O₂, n = 4, mit ΔG pro Mol H₂. Das Verhältnis der Änderung der Gibbs-Energie zur Reaktionsenthalpie (−286 kJ/mol), 237/286 ≈ 83 %, ist ein Richtwert für den theoretischen Wirkungsgrad bei 25 °C. In realen Zellen sinkt die Betriebsspannung durch Überspannungen an den Elektroden und den Widerstand des Elektrolyten auf etwa 0,6–0,8 V.

„Gibbs-Energie“ in den Erläuterungen

Fragen, in denen „Gibbs-Energie“ vorkommt (5)

  1. Die Standardänderung der Gibbs-Energie der Reaktion H₂ + 1/2 O₂ → H₂O(l), bei der aus Wasserstoff und Sauerstoff flüssiges Wasser entsteht, beträgt bei 25 °C −237 kJ/mol. Welcher Wert kommt der theoretischen Zellspannung einer Brennstoffzelle mit dieser Reaktion am nächsten? Die Faraday-Konstante beträgt 96485 C/mol.
  2. Welche Kombination aus Größe und Bedingung entscheidet bei konstanter Temperatur und konstantem Druck, ob eine Zustandsänderung in einem geschlossenen System freiwillig abläuft?
  3. Welche Bedingung muss bei konstanter Temperatur und konstantem Druck erfüllt sein, damit α- und β-Phase eines binären Systems im Gleichgewicht koexistieren?
  4. Welche Aussage über die CALPHAD-Methode trifft zu?
  5. Mit der CALPHAD-Methode sollen in einer Nickelbasis-Superlegierung oder einem Stahl mit fast zehn Elementen die ausgeschiedenen Phasen und ihre Anteile vorhergesagt werden. Welche Kombination aus Grundgedanke und Einschränkung trifft zu?

Verwandte Begriffe

CALPHAD-Methode Chemisches Potential Dichtefunktionaltheorie Nickelbasis-Superlegierung Aktivität Ellingham-Diagramm Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck Mischungsentropie Reguläre Lösung Spinodale Entmischung

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