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Gleichgewichtsthermodynamik: Heute kochen wir Elemente-Suppe!

Was die stabilsten Verbindungen der Welt sind – und warum manche davon trotzdem so selten vorkommen.
Das "Matijevic Hill"-Gebiet auf dem Mars, aufgenommen vom NASA-Rover "Opportunity".

Angenommen, Sie hätten einen Eintopf aus sämtlichen chemischen Elementen in hinreichender Menge, einen Rührlöffel, um alles immer wieder gut zu durchmischen, eine Herdplatte, mit der Sie das Ganze von Zeit zu Zeit so hoch erhitzen, dass sämtliche Moleküle oder Festkörper, die sich zwischenzeitlich gebildet haben, in Atome oder Ionen zerfallen – und dazu jede Menge Zeit. Was käme heraus, wenn Sie den Eintopf irgendwann schließlich auf Zimmertemperatur abkühlen ließen?

Es handelt sich um ein Gedankenexperiment für ein hypothetisches Universum, bei dem ich die astrophysikalische Geschichte des realen Kosmos ignoriere. In Wahrheit existiert keine Welt, die mein Experiment widerspiegeln würde: Jeder Stern, Planet, Mond oder Asteroid hat seine eigene Historie, in der ganz sicher des Öfteren Situationen weit weg vom Gleichgewicht aufgetreten sind. Ich dagegen sorge jederzeit für Gleichgewichtsbedingungen. Ist alles also nur eine intellektuelle Spielerei, völlig irrelevant für diese Welt?

Ganz so scheint es mir doch nicht – schließlich sind die Mineralien auf dem Mars weit gehend dieselben wie auf dem Mond oder der Erde, und die Atmosphäre des Saturnmondes Titan enthält keine Moleküle, die nicht ebenso auf der Erde vorkommen, wenn auch in ganz anderen Mengenverhältnissen. Unabhängig von Vorgeschichte und äußeren Umständen haben sich demnach dieselben chemischen Substanzen gebildet. Was also sind die stabilsten Verbindungen dieser Welt – oder gar einer jeden Welt? Für die Antwort brauchen wir ein wenig Thermodynamik. …

April 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft April 2014

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  • Quellen

Hazen, R. M. et al.: Mineral Evolution. In: American Mineralogist 93, S. 1693 - 1720, 2008

Johnson, D. A.: Some Thermodynamic Aspects of Inorganic Chemistry. Cambridge University Press, 1982

Kleidon, A., Lorenz, R. D. (Hg.): Non-Equilibrium Thermodynamics and the Production of Entropy. Springer, Berlin 2005

Lovelock, J. E., Margulis, L.: Atmospheric Homeostasis by and for the Biosphere: The Gaia Hypothesis. In: Tellus 26, S. 2 - 9, 1974

Schwartzman, D. W., Volk, T.: Does Life Drive Disequilibrium in the Biosphere? In: Schneider, S. H. (Hg.): Scientists Debate Gaia. MIT Press, Cambridge 2004, S. 129 – 135

Volk, T.: The Properties of Organisms are not Tunable Parameters Selected because they Create Maximum Entropy Production on the Biosphere Scale: A By-Product Framework in Response to Kleidon. In: Climatic Change 85, S. 251 - 258, 2007