자발적 반응이란 정확히 무엇입니까?

자발 반응은 단순히 생성물이 반응물보다 자유 에너지가 낮다는 것을 의미합니다 ($ \ Delta G $는 음수 임). $ \ Delta G $가 음수이면 반응이 발생하는 것이 에너지 적으로 유리합니다. 즉, 반응으로 인해 에너지가 방출됩니다.

$ \ Delta G $의 크기 (크기)는 반응 속도에 대해 아무 말도하지 않습니다. 예를 들어, 큰 음의 $ \ Delta G $에도 불구하고 상온에서 대기 중 휘발유와 산소 사이의 반응은 매우 느립니다. 이것은이 반응이 $ E_A $라는 큰 활성화 에너지를 가지고 있기 때문입니다.

잠깐만 요. 두 반응물이 충돌하면 상호 작용하여 전이 상태라고하는 매우 불안정한 구조를 형성합니다. 전이 상태는 에너지가 높고 에너지 적으로 바람직하지 않으므로 전이 상태는 빠르게 다시 붕괴되어 반응물 또는 생성물이됩니다. 다음 그림에서 볼 수 있습니다.

반응물의 운동 에너지에 따라 도달하지 못할 수 있습니다. 곡선의 상단,이 경우 반응물로 되돌아갑니다. 그러나 그들이 충분히 빠르게 충돌하고 서로에 대해 적절하게 배치되면 곡선의 상단에 도달하고 제품이 형성됩니다. 전이 상태를 형성하는 데 필요한 에너지는 활성화 에너지입니다.

가솔린과 산소를 사용하면 활성화 에너지가 높습니다. 따라서 반응 중에 엄청난 양의 에너지가 방출 되더라도 활성화 에너지를 극복하려면 스파크가 필요합니다. 여기서부터는 반응에서 발생하는 열이 활성화 에너지를 공급합니다.

이 반응이 자발적이지 않은 경우 강제로 반응을 진행할 수는 있지만 자체적으로 반응이 계속되지는 않습니다.

아시다시피 모든 반응이 완료되는 것은 아닙니다. 이는 Gibbs의 자유 에너지가 반응물과 생성물의 농도에 의존하기 때문에 생성물이 축적되고 반응물이 사용됨에 따라 $ \ Delta G $가 0에 가까워져 결국 평형에 도달합니다. 여기서 $ \ Delta G = 0 $입니다. 위의 그림에서이 시나리오를 시각화하십시오. Gibbs 자유 에너지에 차이가없는 경우 반응물은 여전히 전이 상태에 도달하여 생성물로 변합니다. 그러나 제품이 전이 상태에 도달하고 반응물이되는 데 필요한 에너지는 동일하므로 순방향 반응 속도는 역반응 속도와 같습니다.

평형과 완성까지 이어지는 것은 표준 조건에서 $ \ Delta G $의 크기입니다 ($ \ Delta G ° $로 표시). 이것은 “내재적으로”반응이 얼마나 에너지 적으로 유리한지를 측정 한 것입니다. $ \ Delta G ° $가 크고 음수이면 반응이 완료 될 것입니다. 그것이 더 작 으면 반응은 어느 시점에서 평형을 형성 할 것입니다.

모든 종이 동일한 단계에 머무르는 반응에 대해서는 적어도 일반적으로 사실입니다. 반응을 구상한다면 생성물 중 하나가 반응물의 용액을 빠져 나가는 가스 인 경우, 생성물은 반응물로 재 형성 될 수 없습니다.

자발적이라는 단어는 일상 생활에서 다른 의미를 가지고있어 도움이되지 않습니다. 반응이 얼마나 빨리 발생하는지 예측하지 않고 자발적인 반응을 발생할 수있는것으로 생각하는 것을 선호합니다. 반응이 일어나지 않도록합니다. 즉, 자발적이지 않습니다. 우리가 시도하는 어떤 운동 전술 (촉매, 더 높은 반응물 농도)도 일어날 수 없습니다. 단, 시스템을 가열하면 반응이 더 높은 온도에서 발생할 수 있습니다. 델타 G가 변하기 때문입니다.

내가 선호하는 것은 화학 반응에 대해 “자발적”이라는 단어를 전혀 사용하지 않는 것이지만 o 큰 평형 상수를 가진 반응으로 허용되는 반응을 정의합니다. 자유 에너지 변화와 K 사이의 연결은 큰 K는 큰 음의 델타 G를 의미합니다.이 접근법의 이유는 평형 상수 (K)가 반응의 직접적인 실험 증거이기 때문입니다. 큰 K는 반응이 사실상 완성.