Спонтанні реакції відбуваються без будь-якого чистого введення енергії. Багато факторів впливає на те, чи є реакція спонтанною, включаючи екзотермічну чи ендотермічну реакцію. Екзотермічні реакції, що призводять до посилення розладу або ентропії, завжди будуть спонтанними. З іншого боку, ендотермічні реакції, що призводять до збільшення порядку, ніколи не бувають спонтанними. Тим не менше, ряд реакцій, що включають розчинення або змішування певних сполук, є як спонтанними, так і ендотермічними.
Ентальпія та ентропія
Зміни ентальпії та ентропії - це дві величини, що впливають на спонтанність реакції. Зміна ентальпії реакції загалом можна розуміти як зміну теплоти реакції. Якщо ця зміна є негативною, система віддає теплову енергію; реакція екзотермічна. Якщо зміна ентальпії позитивна, система поглинає теплову енергію; реакція ендотермічна. Іншим фактором, що впливає на спонтанність, є зміна ентропії реакції. Ентропія - це термін, що використовується для опису випадковості або розладу. Якщо спостерігається посилення безладу, зміна ентропії є позитивним. Якщо спостерігається зменшення розладу, зміна ентропії є негативним.
Вільна енергія Гіббса
Величина, що визначає, чи є реакція спонтанною, називається Безкоштовна енергія Гіббса. Вільна енергія Гіббса обчислюється шляхом віднімання добутку температури системи та зміни ентропії від зміни системи ентальпії системи. (Слово "система" можна замінити словом "реакція".) Якщо цей результат негативний, реакція спонтанна. Отже, щоб ендотермічна реакція була спонтанною, добуток температури та зміни ентропії повинен бути більшим, ніж зміна ентальпії.
Розчинення нітрату амонію
Коли сіль аміачної селітри розчиняється у воді, вона споживає тепло з навколишнього середовища; це ендотермічний процес. Коли це трапляється, контейнер та його оточення можуть бути дуже холодними на дотик. З цієї причини аміачна селітра використовується в холодних упаковках. У цьому процесі зміна ентальпії є позитивною. Однак зміна ентропії також є позитивною; система стає більш невпорядкованою. Ця зміна ентропії досить велика, щоб математичний добуток температури та зміни ентропії в рівнянні вільної енергії Гіббса був більшим, ніж зміна ентальпії. Тому вільна енергія Гіббса є негативною, а реакція спонтанною.
Гідроксид барію та тіоціанат амонію
Реакція між твердим октагідратом гідроксиду барію та твердим тіоціанатом амонію є ендотермічною та спонтанною. Два продукти в цій реакції - це аміачний газ та рідка вода. Ці фазові зміни від твердої речовини до газової та рідинної дають реакції позитивні зміни в ентропії. Розлад системи посилюється внаслідок цих змін - гази та рідини мають більший розлад, ніж тверді речовини. Знову ж таки, це збільшення розладу долає зміну ентальпії, і реакція відбувається спонтанно.