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Chemie

Chemisches gleichgewicht

Entropie und richtung chemischer reaktionen

Irreversible reaktionen in alltagschemie und lebewesen

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik einfach erklärt - Offenes System und Beispiele

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Brand: Knowunity

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Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik einfach erklärt - Offenes System und Beispiele

Julia Soltau

@juliasoltau_vcqr

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Fachexperte

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik und thermodynamische Systeme bilden die Grundlage für das Verständnis von Energieumwandlungen in der Chemie.

• Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik einfach erklärt besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann.
• Es werden drei Systemtypen unterschieden: offene Systeme mit Energie- und Stoffaustausch, geschlossene Systeme mit nur Energieaustausch und isolierte Systeme ohne Austausch.
• Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung und freie Reaktionsenthalpie sind wichtige Konzepte zur Bestimmung der Spontanität von Reaktionen.
• Entropieänderungen und Reaktionswärmen bestimmen den Ablauf chemischer Reaktionen.

21.5.2021

2138

<p>Die Thermodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Beschreibung von Energieumwandlungen beschäftigt. Dabei wird der erste

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Energieformen und Umwandlungen

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder verbraucht noch neu geschaffen, sondern nur umgewandelt werden kann. Dies gilt für jede Energieform und jedes System.

Energieumwandlungen können in Form von Arbeit stattfinden, wie bei einer Dampfmaschine, wo die Energie des Dampfes in Bewegungsenergie umgewandelt wird.

Chemische Energie ist die in einem Stoff gespeicherte Energie. Ihr Gehalt hängt von der Stoffart und -menge ab. Obwohl sie nicht direkt messbar ist, können Änderungen der chemischen Energie beobachtet werden.

Definition: Exotherme Reaktionen geben Energie an die Umgebung ab, während endotherme Reaktionen Energie aufnehmen.

Die chemische Energie setzt sich zusammen aus:

Lage- und Bewegungsenergie der Elektronen
Bindungsenergie zwischen Atomen/Ionen
Bewegung der Atome/Ionen/Moleküle

Die Summe dieser Energien wird als innere Energie U bezeichnet.

Example: Ein Beispiel für ein offenes System ist ein Kochtopf ohne Deckel, bei dem sowohl Stoff- als auch Energieaustausch möglich sind.

Example: Ein Beispiel für ein geschlossenes System ist ein Druckkochtopf, bei dem nur Energieaustausch, aber kein Stoffaustausch möglich ist.

Example: Ein Beispiel für ein isoliertes System im Alltag ist eine gut isolierte Thermoskanne, die weder Energie noch Stoff mit der Umgebung austauscht.

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Reaktionswärme und Kalorimetrie

Reaktionswärme (Qr) ist die Wärme, die bei einer chemischen Reaktion mit der Umgebung ausgetauscht wird.

Bei exothermen Reaktionen ist der Energiebetrag positiv, da Wärme an die Umgebung abgegeben wird (ΔU < 0, Qr = -ΔU).
Bei endothermen Reaktionen nimmt das Reaktionssystem Energie aus der Umgebung auf.

Zur Bestimmung von Reaktionswärmen werden Kalorimeter verwendet:

Definition: Ein Kalorimeter ist ein isoliertes Reaktionsgefäß, das mit einer bestimmten Menge Wasser gefüllt ist. Die Temperatur wird vor und nach der Reaktion gemessen.

Die Reaktionswärme wird wie folgt berechnet:

ΔU = Qr = cp(Wasser) · m(Wasser) · ΔT

Dabei ist:

cp: spezifische Wärmekapazität
m: Masse des Wassers
ΔT: Temperaturänderung

Highlight: Bei Reaktionen in wässriger Lösung dient eine der Lösungen als Wärmespeicher. Es ist wichtig, dass beide Reaktionspartner vor der Reaktion die gleiche Standardtemperatur haben.

Example: Ein Beispiel für eine exotherme Reaktion in der Thermodynamik eines geschlossenen Systems ist die Reaktion von Kupferionen mit Zink: Cu²⁺(aq) + Zn(s) → Cu(s) + Zn²⁺(aq)

Diese Zusammenfassung bietet einen Überblick über die grundlegenden Konzepte der Thermodynamik, einschließlich des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik für offene und geschlossene Systeme, sowie Beispiele für verschiedene Systemtypen und Reaktionen.

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Systeme in der Thermodynamik

In der Thermodynamik unterscheidet man zwischen verschiedenen Arten von Systemen, die für das Verständnis des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik für geschlossene Systeme wichtig sind:

Offenes System:
- Energie- und Stoffaustausch mit der Umgebung möglich
- Volumen- und Temperaturänderungen können auftreten

Beispiel: Ein offenes System Beispiel Alltag wäre eine Tasse heißen Kaffees, die sowohl Wärme als auch Wasserdampf an die Umgebung abgibt.

Geschlossenes System:
- Nur Energieaustausch mit der Umgebung möglich
- Druck- und Temperaturänderungen können auftreten

Beispiel: Ein geschlossenes System Chemie Beispiel wäre ein verschlossener Erlenmeyerkolben mit einer reagierenden Lösung.

Isoliertes System:
- Kein Austausch von Energie oder Stoff mit der Umgebung
- Temperatur- und Druckänderungen können innerhalb des Systems auftreten

Beispiel: Ein isoliertes System Beispiel Alltag wäre eine perfekt isolierte Thermoskanne.

Die Änderung der inneren Energie U eines Systems kann nicht direkt gemessen werden, sondern wird indirekt über Änderungen von Temperatur, Druck und Volumen bestimmt.

Highlight: Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik Energieerhaltungssatz gilt für alle diese Systemtypen, aber die Art des Energieaustauschs unterscheidet sich.

Für die verschiedenen Systeme gelten unterschiedliche Bedingungen:

Offenes System: ΔU = Q - W + Σ(n · H)
Geschlossenes System: ΔU = Q - W
Isoliertes System: ΔU = 0

Dabei ist Q die Wärmemenge, W die geleistete Arbeit und Σ(n · H) die Summe der Enthalpien der ausgetauschten Stoffe.

Vocabulary: Die Freie Reaktionsenthalpie ΔG bestimmt, ob eine Reaktion freiwillig abläuft (ΔG < 0) oder nicht (ΔG > 0).

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Energieträger und Wirkungsgrad

Energieträger spielen eine wichtige Rolle in der praktischen Anwendung der Thermodynamik. Sie sind Materialien, an die Energie gebunden ist und die zur Energieumwandlung genutzt werden können.

Wichtige Energieträger sind:

Brennstoffe (chemische Energie)
Nahrungsmittel (chemische Energie)
Elektrische Leiter (elektrische Energie)
Wasser in Stauseen (potentielle Energie)

Highlight: Chemische Energie in Brennstoffen und Nahrungsmitteln ist besonders gut speicherbar und hat eine hohe Energiedichte.

Der Begriff "Energieerzeugung" bezieht sich in der Praxis auf die Umwandlung von Energie in die gewünschte Form. Dabei ist zu beachten:

Nur ein Teil der Energiemenge wird in die gewünschte Endform umgewandelt
Unerwünschte Nebenprodukte, oft in Form von Wärme, entstehen

Der Wirkungsgrad ist eine wichtige Kennzahl bei Energieumwandlungen:

Definition: Der Wirkungsgrad ist der Prozentsatz der Energie, der in die gewünschte Form umgewandelt wird.

Beispiel: Ein Verbrennungsmotor hat typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 30%, was bedeutet, dass 70% der chemischen Energie des Kraftstoffs als Wärme verloren gehen.

Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist ein wichtiges Ziel in der Entwicklung energieeffizienter Technologien und steht im Einklang mit dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik.

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Gibbs-Helmholtz-Gleichung und Freie Enthalpie

Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung ist ein fundamentales Konzept in der Thermodynamik, das die Beziehung zwischen Enthalpie, Entropie und Temperatur beschreibt. Sie ist besonders wichtig für das Verständnis der Spontanität von Reaktionen.

Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung lautet:

ΔG = ΔH - TΔS

Wobei:

ΔG: Änderung der Freien Enthalpie
ΔH: Änderung der Enthalpie
T: absolute Temperatur
ΔS: Änderung der Entropie

Highlight: Die Freie Reaktionsenthalpie ΔG bestimmt, ob eine Reaktion freiwillig abläuft (ΔG < 0) oder nicht (ΔG > 0).

Wichtige Aspekte der Gibbs-Helmholtz-Gleichung:

Sie verbindet thermodynamische Größen mit der Spontanität von Reaktionen.
Sie ermöglicht die Vorhersage von Reaktionsabläufen unter verschiedenen Bedingungen.
Sie zeigt den Einfluss der Temperatur auf die Freie Enthalpie.

Example: Ein Gibbs-Helmholtz-Gleichung Beispiel wäre die Berechnung der Freien Enthalpie für die Schmelzreaktion von Eis bei verschiedenen Temperaturen.

Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung Herleitung basiert auf der Definition der Freien Enthalpie und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Vocabulary: Die Grenztemperatur ist die Temperatur, bei der ΔG = 0 ist und sich das thermodynamische Gleichgewicht einstellt.

Für praktische Anwendungen ist es oft nützlich, die Gibbs-Helmholtz-Gleichung umzustellen:

Nach T: T = ΔH / ΔS (bei ΔG = 0)
Nach ΔH: ΔH = ΔG + TΔS

Diese Umstellungen ermöglichen es, verschiedene thermodynamische Größen zu berechnen, wenn andere bekannt sind.

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Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Die Entropie S ist ein zentrales Konzept in der Thermodynamik und steht im engen Zusammenhang mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Sie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems.

Definition: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass jeder Energietransfer die Entropie des Universums vergrößert.

Wichtige Aspekte der Entropie:

Je höher die Unordnung, desto höher der Entropiewert.
Die Entropie hat einen absoluten Wert, im Gegensatz zur Enthalpie.
Bei 0 Kelvin (absoluter Nullpunkt) gibt es keine Teilchenbewegung und die Entropie erreicht ihr Minimum.

Highlight: Die Entropieänderung ΔS ist für freiwillig ablaufende Prozesse in abgeschlossenen Systemen immer positiv.

Die molare Standardentropie Sm wird in J/(K·mol) angegeben. Für Reaktionen gilt:

ΔrSm° = Σ Sm(Produkte) - Σ Sm(Edukte)

Example: Ein Beispiel für eine Entropiezunahme ist das Schmelzen von Eis, wobei die geordnete Kristallstruktur in eine weniger geordnete flüssige Form übergeht.

Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines perfekten Kristalls bei 0 K gleich Null ist. Dies bildet die Grundlage für die Bestimmung absoluter Entropiewerte.

Die Kombination des ersten und zweiten Hauptsatzes führt zur Gibbs-Helmholtz-Gleichung, die die Spontanität von Reaktionen beschreibt:

ΔG < 0: exergonisch, freiwillig ablaufende Reaktion
ΔG > 0: endergonisch, erzwungene Reaktion
ΔG = 0: Gleichgewichtszustand

Vocabulary: Exergonisch bedeutet, dass eine Reaktion freiwillig abläuft und Energie an die Umgebung abgibt.

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Formeln und Berechnungen

Diese Seite fasst wichtige thermodynamische Formeln zusammen.

Highlight: Die Änderung der inneren Energie ΔU = Q + W

Definition: Die molare Reaktionswärme Qm = m(H₂O) · cp(H₂O) · ΔT / n

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Grundlagen der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist ein fundamentales Prinzip, das besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann. Dies gilt für alle Energieformen und Systeme.

Die Thermodynamik unterscheidet zwischen verschiedenen Systemtypen:

Offenes System: Energie- und Stoffaustausch möglich
Geschlossenes System: Nur Energieaustausch möglich
Isoliertes System: Kein Austausch möglich

Wichtige Konzepte in der Thermodynamik sind:

Reaktionsenthalpie H
Entropie S
Freie Enthalpie G
Gibbs-Helmholtz-Gleichung

Definition: Der Satz von Hess besagt, dass Reaktionswärmen unabhängig vom Reaktionsweg sind. Nur Ausgangs- und Endzustand sind relevant.

Highlight: Die Freie Enthalpie G bestimmt, ob eine Reaktion freiwillig abläuft:

ΔG < 0: exergonisch (freiwillig)

ΔG > 0: endergonisch (erzwungen)

Vocabulary: Sublimation ist der direkte Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Zustand.

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Chemisches gleichgewicht

Entropie und richtung chemischer reaktionen

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Der erste Hauptsatz der Thermodynamik und thermodynamische Systeme bilden die Grundlage für das Verständnis von Energieumwandlungen in der Chemie.

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Energieformen und Umwandlungen

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder verbraucht noch neu geschaffen, sondern nur umgewandelt werden kann. Dies gilt für jede Energieform und jedes System.

Energieumwandlungen können in Form von Arbeit stattfinden, wie bei einer Dampfmaschine, wo die Energie des Dampfes in Bewegungsenergie umgewandelt wird.

Definition: Exotherme Reaktionen geben Energie an die Umgebung ab, während endotherme Reaktionen Energie aufnehmen.

Die chemische Energie setzt sich zusammen aus:

Lage- und Bewegungsenergie der Elektronen
Bindungsenergie zwischen Atomen/Ionen
Bewegung der Atome/Ionen/Moleküle

Die Summe dieser Energien wird als innere Energie U bezeichnet.

Example: Ein Beispiel für ein offenes System ist ein Kochtopf ohne Deckel, bei dem sowohl Stoff- als auch Energieaustausch möglich sind.

Example: Ein Beispiel für ein geschlossenes System ist ein Druckkochtopf, bei dem nur Energieaustausch, aber kein Stoffaustausch möglich ist.

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Reaktionswärme und Kalorimetrie

Reaktionswärme (Qr) ist die Wärme, die bei einer chemischen Reaktion mit der Umgebung ausgetauscht wird.

Bei exothermen Reaktionen ist der Energiebetrag positiv, da Wärme an die Umgebung abgegeben wird (ΔU < 0, Qr = -ΔU).
Bei endothermen Reaktionen nimmt das Reaktionssystem Energie aus der Umgebung auf.

Zur Bestimmung von Reaktionswärmen werden Kalorimeter verwendet:

Definition: Ein Kalorimeter ist ein isoliertes Reaktionsgefäß, das mit einer bestimmten Menge Wasser gefüllt ist. Die Temperatur wird vor und nach der Reaktion gemessen.

Die Reaktionswärme wird wie folgt berechnet:

ΔU = Qr = cp(Wasser) · m(Wasser) · ΔT

Dabei ist:

cp: spezifische Wärmekapazität
m: Masse des Wassers
ΔT: Temperaturänderung

Highlight: Bei Reaktionen in wässriger Lösung dient eine der Lösungen als Wärmespeicher. Es ist wichtig, dass beide Reaktionspartner vor der Reaktion die gleiche Standardtemperatur haben.

Example: Ein Beispiel für eine exotherme Reaktion in der Thermodynamik eines geschlossenen Systems ist die Reaktion von Kupferionen mit Zink: Cu²⁺(aq) + Zn(s) → Cu(s) + Zn²⁺(aq)

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Systeme in der Thermodynamik

In der Thermodynamik unterscheidet man zwischen verschiedenen Arten von Systemen, die für das Verständnis des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik für geschlossene Systeme wichtig sind:

Offenes System:
- Energie- und Stoffaustausch mit der Umgebung möglich
- Volumen- und Temperaturänderungen können auftreten

Beispiel: Ein offenes System Beispiel Alltag wäre eine Tasse heißen Kaffees, die sowohl Wärme als auch Wasserdampf an die Umgebung abgibt.

Geschlossenes System:
- Nur Energieaustausch mit der Umgebung möglich
- Druck- und Temperaturänderungen können auftreten

Beispiel: Ein geschlossenes System Chemie Beispiel wäre ein verschlossener Erlenmeyerkolben mit einer reagierenden Lösung.

Isoliertes System:
- Kein Austausch von Energie oder Stoff mit der Umgebung
- Temperatur- und Druckänderungen können innerhalb des Systems auftreten

Beispiel: Ein isoliertes System Beispiel Alltag wäre eine perfekt isolierte Thermoskanne.

Die Änderung der inneren Energie U eines Systems kann nicht direkt gemessen werden, sondern wird indirekt über Änderungen von Temperatur, Druck und Volumen bestimmt.

Highlight: Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik Energieerhaltungssatz gilt für alle diese Systemtypen, aber die Art des Energieaustauschs unterscheidet sich.

Für die verschiedenen Systeme gelten unterschiedliche Bedingungen:

Offenes System: ΔU = Q - W + Σ(n · H)
Geschlossenes System: ΔU = Q - W
Isoliertes System: ΔU = 0

Dabei ist Q die Wärmemenge, W die geleistete Arbeit und Σ(n · H) die Summe der Enthalpien der ausgetauschten Stoffe.

Vocabulary: Die Freie Reaktionsenthalpie ΔG bestimmt, ob eine Reaktion freiwillig abläuft (ΔG < 0) oder nicht (ΔG > 0).

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Energieträger und Wirkungsgrad

Energieträger spielen eine wichtige Rolle in der praktischen Anwendung der Thermodynamik. Sie sind Materialien, an die Energie gebunden ist und die zur Energieumwandlung genutzt werden können.

Wichtige Energieträger sind:

Brennstoffe (chemische Energie)
Nahrungsmittel (chemische Energie)
Elektrische Leiter (elektrische Energie)
Wasser in Stauseen (potentielle Energie)

Highlight: Chemische Energie in Brennstoffen und Nahrungsmitteln ist besonders gut speicherbar und hat eine hohe Energiedichte.

Der Begriff "Energieerzeugung" bezieht sich in der Praxis auf die Umwandlung von Energie in die gewünschte Form. Dabei ist zu beachten:

Nur ein Teil der Energiemenge wird in die gewünschte Endform umgewandelt
Unerwünschte Nebenprodukte, oft in Form von Wärme, entstehen

Der Wirkungsgrad ist eine wichtige Kennzahl bei Energieumwandlungen:

Definition: Der Wirkungsgrad ist der Prozentsatz der Energie, der in die gewünschte Form umgewandelt wird.

Beispiel: Ein Verbrennungsmotor hat typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 30%, was bedeutet, dass 70% der chemischen Energie des Kraftstoffs als Wärme verloren gehen.

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Gibbs-Helmholtz-Gleichung und Freie Enthalpie

Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung lautet:

ΔG = ΔH - TΔS

Wobei:

ΔG: Änderung der Freien Enthalpie
ΔH: Änderung der Enthalpie
T: absolute Temperatur
ΔS: Änderung der Entropie

Highlight: Die Freie Reaktionsenthalpie ΔG bestimmt, ob eine Reaktion freiwillig abläuft (ΔG < 0) oder nicht (ΔG > 0).

Wichtige Aspekte der Gibbs-Helmholtz-Gleichung:

Sie verbindet thermodynamische Größen mit der Spontanität von Reaktionen.
Sie ermöglicht die Vorhersage von Reaktionsabläufen unter verschiedenen Bedingungen.
Sie zeigt den Einfluss der Temperatur auf die Freie Enthalpie.

Example: Ein Gibbs-Helmholtz-Gleichung Beispiel wäre die Berechnung der Freien Enthalpie für die Schmelzreaktion von Eis bei verschiedenen Temperaturen.

Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung Herleitung basiert auf der Definition der Freien Enthalpie und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Vocabulary: Die Grenztemperatur ist die Temperatur, bei der ΔG = 0 ist und sich das thermodynamische Gleichgewicht einstellt.

Für praktische Anwendungen ist es oft nützlich, die Gibbs-Helmholtz-Gleichung umzustellen:

Nach T: T = ΔH / ΔS (bei ΔG = 0)
Nach ΔH: ΔH = ΔG + TΔS

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Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Die Entropie S ist ein zentrales Konzept in der Thermodynamik und steht im engen Zusammenhang mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Sie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems.

Definition: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass jeder Energietransfer die Entropie des Universums vergrößert.

Wichtige Aspekte der Entropie:

Je höher die Unordnung, desto höher der Entropiewert.
Die Entropie hat einen absoluten Wert, im Gegensatz zur Enthalpie.
Bei 0 Kelvin (absoluter Nullpunkt) gibt es keine Teilchenbewegung und die Entropie erreicht ihr Minimum.

Highlight: Die Entropieänderung ΔS ist für freiwillig ablaufende Prozesse in abgeschlossenen Systemen immer positiv.

Die molare Standardentropie Sm wird in J/(K·mol) angegeben. Für Reaktionen gilt:

ΔrSm° = Σ Sm(Produkte) - Σ Sm(Edukte)

Example: Ein Beispiel für eine Entropiezunahme ist das Schmelzen von Eis, wobei die geordnete Kristallstruktur in eine weniger geordnete flüssige Form übergeht.

Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines perfekten Kristalls bei 0 K gleich Null ist. Dies bildet die Grundlage für die Bestimmung absoluter Entropiewerte.

Die Kombination des ersten und zweiten Hauptsatzes führt zur Gibbs-Helmholtz-Gleichung, die die Spontanität von Reaktionen beschreibt:

ΔG < 0: exergonisch, freiwillig ablaufende Reaktion
ΔG > 0: endergonisch, erzwungene Reaktion
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Formeln und Berechnungen

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