Spontanreaktionen laufen ohne Nettoenergieeintrag ab. Viele Faktoren beeinflussen, ob eine Reaktion spontan ist, einschließlich ob die Reaktion exotherm oder endotherm ist. Exotherme Reaktionen, die zu erhöhter Unordnung oder Entropie führen, werden immer spontan sein. Andererseits sind endotherme Reaktionen, die zu einer Zunahme der Ordnung führen, niemals spontan. Dennoch sind eine Reihe von Reaktionen, die das Auflösen oder Mischen bestimmter Verbindungen beinhalten, sowohl spontan als auch endotherm.
Enthalpie und Entropie
Enthalpie- und Entropieänderungen sind zwei Größen, die die Spontaneität einer Reaktion beeinflussen. Die Enthalpieänderung einer Reaktion kann allgemein als Wärmeänderung einer Reaktion verstanden werden. Ist diese Änderung negativ, gibt das System Wärmeenergie ab; die Reaktion ist exotherm. Ist die Enthalpieänderung positiv, nimmt das System Wärmeenergie auf; die Reaktion ist endotherm. Ein weiterer Faktor, der die Spontaneität beeinflusst, ist die Entropieänderung einer Reaktion. Entropie ist ein Begriff, der verwendet wird, um Zufälligkeit oder Unordnung zu beschreiben. Bei einer Zunahme der Unordnung ist die Entropieänderung positiv. Bei einer Abnahme der Unordnung ist die Entropieänderung negativ.
Gibbs Freie Energie
Die Größe, die definiert, ob eine Reaktion spontan ist, heißt Gibbs freie Energie. Gibbs freie Energie wird berechnet, indem das Produkt aus der Temperatur eines Systems und der Entropieänderung von der Enthalpieänderung des Systems abgezogen wird. (Das Wort "System" kann durch das Wort "Reaktion" ersetzt werden.) Wenn dieses Ergebnis negativ ist, ist die Reaktion spontan. Damit eine endotherme Reaktion spontan abläuft, muss das Produkt aus Temperatur und Entropieänderung größer sein als die Enthalpieänderung.
Auflösen von Ammoniumnitrat
Wenn sich das Salz Ammoniumnitrat in Wasser auflöst, verbraucht es Wärme aus seiner Umgebung; Dies ist ein endothermer Prozess. Der Behälter und die Umgebung können sich dabei sehr kalt anfühlen. Aus diesem Grund wird Ammoniumnitrat in Kühlakkus verwendet. Die Enthalpieänderung ist dabei positiv. Allerdings ist auch die Entropieänderung positiv; das System wird ungeordneter. Diese Entropieänderung ist groß genug, dass das mathematische Produkt aus Temperatur und Entropieänderung in der Gibbs-Gleichung der freien Energie größer ist als die Enthalpieänderung. Daher ist die freie Gibbs-Energie negativ und die Reaktion ist spontan.
Bariumhydroxid und Ammoniumthiocyanat
Die Reaktion zwischen festem Bariumhydroxidoctahydrat und festem Ammoniumthiocyanat ist endotherm und spontan. Zwei der Produkte dieser Reaktion sind Ammoniakgas und flüssiges Wasser. Diese Phasenänderungen von fest zu gasförmig und flüssig führen zu einer positiven Entropieänderung der Reaktion. Die Unordnung des Systems nimmt aufgrund dieser Veränderungen zu – Gase und Flüssigkeiten haben mehr Unordnung als Feststoffe. Auch hier überwindet diese Zunahme der Unordnung die Enthalpieänderung, und die Reaktion ist spontan.