Was ich unter einer spontanen Reaktion verstehe, ist folgende: – Eine Reaktion, deren G negativ ist und die ohne Energieeintrag abläuft.
Benzin reagiert nur dann mit Sauerstoff, wenn ein Funke vorhanden ist. Wie kann es sich also um eine spontane Reaktion handeln?
Treten in der Natur nicht spontane Reaktionen auf? Wenn ja, sind sie immer langsam? Wenn sie langsam sind, was ist dann der Unterschied zwischen einer langsamen spontanen Reaktion und einer nicht spontanen Reaktion?
Sind nicht-spontane Reaktionen aktive Energien mehr als die von spontanen Reaktionen?
Antwort
Spontane Reaktionen bedeuten einfach, dass die freie Energie der Produkte geringer ist als die der Reaktanten ($ \ Delta G $ ist negativ). Wenn $ \ Delta G $ negativ ist, ist es energetisch günstig, dass die Reaktion stattfindet – mit anderen Worten, aufgrund der Reaktion wird Energie freigesetzt.
Die Größe von $ \ Delta G $ (wie groß es ist) sagt nichts über die Reaktionsgeschwindigkeit aus. Beispielsweise ist die Reaktion zwischen Benzin und Sauerstoff in der Atmosphäre bei Raumtemperatur trotz eines großen negativen $ \ Delta G $ extrem langsam. Dies liegt daran, dass diese Reaktion eine große Aktivierungsenergie hat, $ E_A $.
Warte einen Moment. Wenn zwei Reaktanten kollidieren, interagieren sie unter Bildung einer extrem instabilen Struktur, die als Übergangszustand bezeichnet wird. Der Übergangszustand ist energiereich und energetisch NICHT günstig, so dass der Übergangszustand schnell wieder zusammenbricht und entweder zu den Reaktanten oder zu den Produkten wird. Sie können dies auf dem folgenden Bild sehen.
Abhängig von der kinetischen Energie der Reaktanten erreichen sie diese möglicherweise nicht die Spitze der Kurve, in diesem Fall fallen sie als Reaktanten zurück. Wenn sie jedoch schnell genug kollidieren und angemessen zueinander positioniert sind, ist der obere Rand der Kurve erreicht und die Produkte bilden sich. Die zur Bildung des Übergangszustands erforderliche Energie ist die Aktivierungsenergie.
Bei Benzin und Sauerstoff ist die Aktivierungsenergie hoch. Obwohl während der Reaktion eine enorme Menge an Energie freigesetzt wird, benötigt es einen Funken, um seine Aktivierungsenergie zu überwinden. Von hier an liefert die aus der Reaktion erzeugte Wärme die Aktivierungsenergie.
Wenn diese Reaktion nicht spontan wäre, könnten wir die Reaktion möglicherweise forcieren, aber die Reaktion würde nicht von alleine fortgesetzt.
Wie Sie wissen, sind nicht alle Reaktionen vollständig. Dies liegt daran, dass die freie Energie von Gibbs von den Konzentrationen der Reaktanten und Produkte abhängt. Wenn sich die Produkte ansammeln und die Reaktanten verwendet werden, nähert sich $ \ Delta G $ 0 und erreicht schließlich das Gleichgewicht, wobei $ \ Delta G = 0 $. Visualisieren Sie dieses Szenario auf dem obigen Bild. Wenn es keinen Unterschied in der freien Energie von Gibbs gibt, gelangen die Reaktanten immer noch in den Übergangszustand und verwandeln sich in Produkte. Die Energie, die erforderlich ist, damit Produkte den Übergangszustand erreichen und zu Reaktanten werden, ist äquivalent, und daher ist die Geschwindigkeit der Vorwärtsreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückwärtsreaktion.
Die Differenz zwischen Reaktionen, die eine erreichen Gleichgewicht und diejenigen, die bis zur Vollendung laufen, ist die Größe des $ \ Delta G $ unter Standardbedingungen (bezeichnet als $ \ Delta G ° $). Dies ist ein Maß dafür, wie energetisch günstig die Reaktion „inhärent“ ist. Wenn $ \ Delta G ° $ groß und negativ ist, läuft die Reaktion vollständig ab. Wenn es kleiner ist, stellt die Reaktion irgendwann ein Gleichgewicht her.
Dies gilt zumindest allgemein für Reaktionen, bei denen alle Arten in derselben Phase bleiben, denke ich. Wenn Sie sich eine Reaktion vorstellen Wenn eines der Produkte ein Gas ist, das der Lösung der Reaktanten entweicht, können sich die Produkte nicht in Reaktanten umwandeln.
Antwort
Das Wort „spontan“ hat im Alltag unterschiedliche Bedeutungen und dies ist nicht hilfreich. Ich stelle mir eine spontane Reaktion lieber als eine vor, die „auftreten darf“, ohne vorherzusagen, wie schnell die Reaktion abläuft. Wenn a Eine Reaktion darf nicht stattfinden – dh sie ist nicht spontan, sie kann nicht auftreten, unabhängig von der kinetischen Taktik (Katalysator, höhere Reaktantenkonzentration), die wir versuchen, außer dass die Reaktion bei einer höheren Temperatur stattfinden kann, wenn wir das System aufheizen weil sich Delta G ändert.
Ich würde es vorziehen, das Wort „spontan“ überhaupt nicht für chemische Reaktionen zu verwenden, sondern t o Definieren Sie eine Reaktion, die als eine Reaktion mit einer großen Gleichgewichtskonstante zulässig ist. Die Verbindung zwischen der Änderung der freien Energie und K bedeutet, dass ein großes K ein großes negatives Delta G bedeutet. Der Grund für diesen Ansatz ist, dass Gleichgewichtskonstanten (K) direkte experimentelle Beweise für die Reaktion sind – ein großes K bedeutet, dass die Reaktion praktisch verlaufen ist Fertigstellung.