Spontaanireaktion avulla ymmärrän sen – reaktion, jonka G on negatiivinen ja joka tapahtuu ilman energian syöttämistä.
Bensiini reagoi hapen kanssa vain, jos siinä on kipinä. Joten miten se voi olla spontaani reaktio?
Ovatko spontaanit reaktiot luonnossa? Jos on, ovatko ne aina hitaita? Jos ne ovat hitaita, mitä eroa on hitaalla spontaanilla reaktiolla ja ei-spontaanilla reaktiolla?
Ovatko spontaanit reaktiot aktiivisia energioita enemmän kuin spontaanit reaktiot?
Vastaus
Spontaanit reaktiot tarkoittavat yksinkertaisesti sitä, että tuotteiden vapaa energia on pienempi kuin reagenssien ($ \ Delta G $ on negatiivinen). Jos $ \ Delta G $ on negatiivinen, niin se on energisesti suotuisa reaktion tapahtumiselle – toisin sanoen reaktion seurauksena vapautuu energiaa.
$ \ Delta G $: n suuruus (kuinka suuri se on) ei kerro mitään reaktionopeudesta. Esimerkiksi reaktio bensiinin ja hapen välillä ilmakehässä huoneenlämpötilassa on erittäin hidas huolimatta suuresta negatiivisesta $ \ Delta G $: sta. Tämä johtuu siitä, että tällä reaktiolla on suuri aktivointienergia, $ E_A $.
Odota. Kun kaksi reagenssia törmäävät, ne ovat vuorovaikutuksessa muodostaen erittäin epävakaan rakenteen, jota kutsutaan siirtymätilaksi. Siirtymätilassa on paljon energiaa eikä se ole energisesti suotuisa, ja siten siirtymätila romahtaa nopeasti uudelleen ja siitä tulee joko reagoivia aineita tai tuotteita. Näet tämän seuraavassa kuvassa.
Reagenssien kineettisestä energiasta riippuen ne eivät välttämättä saavuta käyrän yläosassa, jolloin ne kuuluvat takaisin reagoiviksi aineiksi. Mutta jos ne törmäävät tarpeeksi nopeasti ja sijoitetaan sopivasti toisiinsa nähden, käyrän yläosa saavutetaan ja tuotteet muodostuvat. Siirtymätilan muodostamiseen tarvittava energia on aktivaatioenergia.
Bensiinin ja hapen kanssa aktivointienergia on korkea. Joten vaikka reaktion aikana vapautuu valtava määrä energiaa, se tarvitsee kipinän aktivointienergiansa voittamiseksi. Tästä eteenpäin reaktiosta syntyvä lämpö tuottaa aktivointienergian.
Jos tämä reaktio ei ollut spontaani, voimme ehkä pakottaa reaktion eteenpäin, mutta reaktio ei jatkuisi itsestään.
Kuten tiedät, kaikki reaktiot eivät pääse loppuun. Tämä johtuu siitä, että Gibbsin vapaa energia riippuu reagenssien ja tuotteiden pitoisuuksista, joten kun tuotteet kertyvät ja reaktantteja käytetään, $ \ Delta G $ tulee lähemmäksi nollaa ja saavuttaa lopulta tasapainon, jossa $ \ Delta G = 0 $. Visualisoi tämä skenaario yllä olevassa kuvassa. Jos Gibbsin vapaassa energiassa ei ole eroa, reagoivat aineet siirtyvät silti siirtymätilaan ja muuttuvat tuotteiksi. Mutta energia, joka tarvitaan tuotteille siirtymätilan saavuttamiseksi ja siitä tulee reagoivia aineita, on ekvivalentti, ja siten eteenpäin suuntautuvan reaktion nopeus on yhtä suuri kuin käänteisen reaktion nopeus.
tasapaino ja loppuun asti kulkevat ovat $ \ Delta G $: n suuruus vakio-olosuhteissa (merkitty $ \ Delta G ° $). Tämä on mitta siitä, kuinka energisesti suotuisa reaktio on ”luonnostaan”. Jos $ \ Delta G ° $ on suuri ja negatiivinen, reaktio suoritetaan loppuun. Jos se on pienempi, reaktio muodostaa tasapainon jossain vaiheessa.
Tämä pätee ainakin reaktioihin, joissa luulen, että kaikki lajit pysyvät samassa vaiheessa. Jos kuvitette reaktion Jos yksi tuotteista on kaasu, joka pääsee reagoivien aineiden liuoksesta, tuotteet eivät pysty muuttumaan reagoiviksi.
Vastaus
Sanalla ”spontaani” on eri merkitykset jokapäiväisessä elämässä, ja tästä ei ole hyötyä. Mieluummin ajattelen spontaania reaktiota sellaisena, jonka ”annetaan tapahtua” ilman ennustetta reaktion nopeudesta. reaktion ei sallita tapahtua – ts. se ei ole spontaani, sitä ei voi tapahtua riippumatta siitä, mitä kineettistä taktiikkaa (katalyytti, suurempi reagenssipitoisuus) yritämme, paitsi että jos järjestelmää kuumennetaan, reaktion voidaan antaa tapahtua korkeammassa lämpötilassa koska delta G muuttuu.
En halua käyttää sanaa ”spontaani” lainkaan kemiallisissa reaktioissa, mutta t o määritellä reaktio, joka on sallittu yhtenä, jolla on suuri tasapainovakio. Vapaiden energiamuutosten ja K: n välinen yhteys tarkoittaa, että iso K tarkoittaa suurta negatiivista delta-G: tä. Syy tähän lähestymistapaan on, että tasapainovakiot (K) ovat suoraa kokeellista näyttöä reaktiosta – iso K tarkoittaa, että reaktio on käytännössä mennyt valmistuminen.