Спонтанные реакции происходят без каких-либо затрат энергии. Многие факторы влияют на то, является ли реакция спонтанной, включая экзотермическую или эндотермическую реакцию. Экзотермические реакции, которые приводят к увеличению беспорядка или энтропии, всегда будут спонтанными. С другой стороны, эндотермические реакции, приводящие к увеличению порядка, никогда не бывают спонтанными. Тем не менее, ряд реакций, включающих растворение или смешивание определенных соединений, являются как самопроизвольными, так и эндотермическими.
Энтальпия и энтропия
Изменения энтальпии и энтропии - две величины, которые влияют на спонтанность реакции. Изменение энтальпии реакции обычно можно понимать как изменение теплоты реакции. Если это изменение отрицательное, система отдает тепловую энергию; реакция экзотермическая. Если изменение энтальпии положительное, система поглощает тепловую энергию; реакция эндотермическая. Еще один фактор, влияющий на спонтанность, - это изменение энтропии реакции. Энтропия - это термин, используемый для описания случайности или беспорядка. Если есть увеличение беспорядка, изменение энтропии положительное. Если беспорядок уменьшается, изменение энтропии отрицательное.
Свободная энергия Гиббса
Величина, определяющая, является ли реакция спонтанной, называется Свободная энергия Гиббса. Свободная энергия Гиббса рассчитывается путем вычитания произведения температуры системы и изменения энтропии из изменения энтальпии системы. (Слово «система» можно заменить словом «реакция».) Если результат отрицательный, реакция является спонтанной. Следовательно, чтобы эндотермическая реакция была спонтанной, произведение температуры и изменения энтропии должно быть больше, чем изменение энтальпии.
Растворение нитрата аммония
Когда соляной нитрат аммония растворяется в воде, он потребляет тепло из окружающей среды; это эндотермический процесс. В этом случае емкость и окружающая среда могут быть очень холодными на ощупь. По этой причине в холодных компрессах используется нитрат аммония. В этом процессе изменение энтальпии положительное. Однако изменение энтропии также положительное; система становится более неупорядоченной. Это изменение энтропии достаточно велико, чтобы математическое произведение температуры и изменения энтропии в уравнении свободной энергии Гиббса было больше, чем изменение энтальпии. Следовательно, свободная энергия Гиббса отрицательна, и реакция происходит самопроизвольно.
Гидроксид бария и тиоцианат аммония
Реакция между твердым октагидратом гидроксида бария и твердым тиоцианатом аммония является эндотермической и спонтанной. Двумя продуктами этой реакции являются газообразный аммиак и жидкая вода. Эти фазовые переходы от твердого состояния к газу и жидкости приводят к положительному изменению энтропии реакции. Из-за этих изменений увеличивается беспорядок в системе - газы и жидкости имеют больше беспорядка, чем твердые тела. Опять же, это увеличение беспорядка преодолевает изменение энтальпии, и реакция происходит самопроизвольно.