Quello che intendo per reazione spontanea è che – Una reazione il cui G è negativo e che si verifica senza lapporto di energia.
La benzina reagisce con lossigeno solo se viene fornita una scintilla. Allora come può essere una reazione spontanea?
In natura si verificano reazioni non spontanee? Se è così, sono sempre lenti? Se sono lente, qual è la differenza tra una reazione spontanea lenta e una reazione non spontanea?
Le energie attive delle reazioni non spontanee sono maggiori di quelle delle reazioni spontanee?
Risposta
Le reazioni spontanee significano semplicemente che i prodotti saranno più bassi in energia libera rispetto ai reagenti ($ \ Delta G $ è negativo). Se $ \ Delta G $ è negativo, allora è energeticamente favorevole che si verifichi la reazione – in altre parole, ci sarà un rilascio di energia dovuto alla reazione.
Lentità di $ \ Delta G $ (quanto è grande) non dice nulla sulla velocità di reazione. Ad esempio, la reazione tra la benzina e lossigeno nellatmosfera a temperatura ambiente sarà estremamente lenta, nonostante un $ \ Delta G $ grande e negativo. Questo perché questa reazione ha una grande energia di attivazione, $ E_A $.
Aspetta. Quando due reagenti entrano in collisione, interagiscono per formare una struttura estremamente instabile chiamata stato di transizione. Lo stato di transizione è ad alto contenuto di energia e NON è energeticamente favorevole, e quindi lo stato di transizione crolla di nuovo rapidamente e diventa i reagenti o i prodotti. Puoi vederlo nella figura seguente.
A seconda dellenergia cinetica dei reagenti, potrebbero non raggiungere la parte superiore della curva, nel qual caso torneranno ad essere reagenti. Ma se si scontrano abbastanza velocemente e sono posizionati in modo appropriato luno rispetto allaltro, viene raggiunta la parte superiore della curva e si formeranno i prodotti. Lenergia richiesta per formare lo stato di transizione è lenergia di attivazione.
Con benzina e ossigeno, lenergia di attivazione è elevata. Quindi, anche se durante la reazione viene rilasciata unenorme quantità di energia, ha bisogno di una scintilla per superare la sua energia di attivazione. Da qui in poi, il calore generato dalla reazione fornisce lenergia di attivazione.
Se questa reazione non fosse spontanea, potremmo essere in grado di forzare la reazione, ma la reazione non continuerebbe da sola.
Come sai, non tutte le reazioni vengono completate. Questo perché lenergia libera di Gibbs dipende dalle concentrazioni di reagenti e prodotti, quindi quando i prodotti si accumulano e i reagenti vengono utilizzati, $ \ Delta G $ si avvicina a 0, raggiungendo infine lequilibrio, dove $ \ Delta G = 0 $. Visualizza questo scenario nellimmagine sopra. Se non cè differenza nellenergia libera di Gibbs, i reagenti raggiungeranno comunque lo stato di transizione e si trasformeranno in prodotti. Ma lenergia richiesta ai prodotti per raggiungere lo stato di transizione e diventare reagenti è equivalente, e quindi la velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa.
La differenza tra le reazioni che raggiungeranno un lequilibrio e quelli che corrono fino al completamento è la grandezza di $ \ Delta G $ in condizioni standard (denotate $ \ Delta G ° $). Questa è una misura di quanto energeticamente favorevole sia la reazione “intrinsecamente”. Se $ \ Delta G ° $ è grande e negativo, la reazione verrà completata. Se è più piccolo, la reazione stabilirà un equilibrio ad un certo punto.
Questo è almeno generalmente vero per le reazioni, in cui tutte le specie stanno nella stessa fase, penso. Se prevedi una reazione dove uno dei prodotti è un gas, che sfugge alla soluzione dei reagenti, i prodotti non saranno in grado di riformarsi in reagenti.
Risposta
La parola “spontaneo” ha significati diversi nella vita di tutti i giorni e questo non è di aiuto. Preferisco pensare a una reazione spontanea come a una che “è autorizzata a verificarsi”, senza alcuna previsione della velocità con cui si verifica. Se un la reazione non è consentita – cioè non è spontanea, non può verificarsi qualunque tattica cinetica (catalizzatore, concentrazione di reagenti più alta) che proviamo, tranne che se riscaldiamo il sistema, la reazione potrebbe essere consentita alla temperatura più alta perché il delta G cambia.
La mia preferenza sarebbe quella di non usare affatto la parola “spontaneo” per le reazioni chimiche ma t o definire una reazione consentita come una con una grande costante di equilibrio. Il collegamento tra la variazione di energia libera e K significa che un grande K significa un grande delta negativo G. La ragione di questo approccio è che le costanti di equilibrio (K) sono prove sperimentali dirette di reazione – un grande K significa che la reazione è virtualmente andata a completamento.