Spontaanit reaktiot tapahtuvat ilman energian nettosyöttöä. Monet tekijät vaikuttavat siihen, onko reaktio spontaani, mukaan lukien onko reaktio eksoterminen vai endoterminen. Eksotermiset reaktiot, jotka johtavat lisääntyneeseen häiriöön tai entropiaan, ovat aina spontaaneja. Toisaalta endotermiset reaktiot, jotka johtavat järjestyksen kasvuun, eivät ole koskaan spontaaneja. Useat reaktiot, joihin liittyy tiettyjen yhdisteiden liuottaminen tai sekoittaminen, ovat kuitenkin sekä spontaaneja että endotermisiä.
Entalpia ja entropia
Entalpian ja entropian muutokset ovat kaksi määrää, jotka vaikuttavat reaktion spontaaniin. Reaktion entalpian muutos voidaan yleisesti ymmärtää reaktion lämmön muutoksena. Jos tämä muutos on negatiivinen, järjestelmä antaa lämpöenergiaa; reaktio on eksoterminen. Jos entalpian muutos on positiivinen, järjestelmä absorboi lämpöenergiaa; reaktio on endoterminen. Toinen spontaanuuteen vaikuttava tekijä on reaktion muutos entropiassa. Entropia on termi, jota käytetään kuvaamaan satunnaisuutta tai häiriötä. Jos häiriö lisääntyy, entropian muutos on positiivinen. Jos häiriö vähenee, entropian muutos on negatiivinen.
Gibbsin vapaa energia
Määriä, joka määrittää, onko reaktio spontaani, kutsutaan Gibbsin vapaa energia. Gibbsin vapaa energia lasketaan vähentämällä järjestelmän lämpötilan ja entropian muutoksen tulo järjestelmän entalpian muutoksesta. (Sana "järjestelmä" voidaan korvata sanalla "reaktio".) Jos tulos on negatiivinen, reaktio on spontaani. Siksi, jotta endoterminen reaktio olisi spontaania, lämpötilan ja entropian muutoksen tuloksen on oltava suurempi kuin entalpian muutos.
Liukeneva ammoniumnitraatti
Kun suolan ammoniumnitraatti liukenee veteen, se kuluttaa lämpöä ympäristöstään; tämä on endoterminen prosessi. Kontti ja ympäristö voivat tuntua erittäin kylmiltä kosketuksessa, kun näin tapahtuu. Tästä syystä ammoniumnitraattia käytetään kylmissä pakkauksissa. Tässä prosessissa entalpian muutos on positiivinen. Entropian muutos on kuitenkin myös positiivinen; järjestelmä muuttuu häiriintyneemmäksi. Tämä muutos entropiassa on riittävän suuri, jotta lämpötilan ja entropian muutoksen matemaattinen tulo Gibbsin vapaan energian yhtälössä on suurempi kuin entalpian muutos. Siksi Gibbsin vapaa energia on negatiivinen ja reaktio on spontaani.
Bariumhydroksidi ja ammoniumtiosyanaatti
Kiinteän bariumhydroksidioktahydraatin ja kiinteän ammoniumtiosyanaatin välinen reaktio on endoterminen ja spontaani. Kaksi tuotetta tässä reaktiossa ovat ammoniakkikaasu ja nestemäinen vesi. Nämä vaihemuutokset kiinteästä aineesta sekä kaasuksi että nestemäiseksi antavat reaktiolle positiivisen muutoksen entropiassa. Järjestelmän häiriö lisääntyy näiden muutosten vuoksi - kaasuilla ja nesteillä on enemmän häiriöitä kuin kiinteillä aineilla. Jälleen tämä häiriön lisääntyminen voittaa entalpian muutoksen, ja reaktio on spontaani.