Wat ik versta onder een spontane reactie is dat – Een reactie waarvan G negatief is en die plaatsvindt zonder de input van energie.
Benzine reageert alleen met zuurstof als er een vonk wordt gegeven. Dus hoe kan het een spontane reactie zijn?
Komen niet-spontane reacties in de natuur voor? Zo ja, zijn ze altijd traag? Als ze langzaam zijn, wat is dan het verschil tussen een langzame spontane reactie en een niet-spontane reactie?
Zijn niet-spontane reacties actieve energieën meer dan die van spontane reacties?
Antwoord
Spontane reacties betekenen simpelweg dat de producten minder vrije energie bevatten dan de reactanten ($ \ Delta G $ is negatief). Als $ \ Delta G $ negatief is, dan is het energetisch gunstig dat de reactie plaatsvindt – met andere woorden, er zal door de reactie energie vrijkomen.
De grootte van $ \ Delta G $ (hoe groot het is) zegt niets over de reactiesnelheid. De reactie tussen benzine en zuurstof in de atmosfeer bij kamertemperatuur zal bijvoorbeeld extreem langzaam zijn, ondanks een grote, negatieve $ \ Delta G $. Dit komt omdat deze reactie een grote activeringsenergie heeft, $ E_A $.
Wacht even. Wanneer twee reactanten botsen, werken ze samen om een extreem onstabiele structuur te vormen die de overgangstoestand wordt genoemd. De overgangstoestand is hoog in energie en is NIET energetisch gunstig, en dus stort de overgangstoestand snel weer in en worden ofwel de reactanten ofwel de producten. U kunt dit zien in de volgende afbeelding.
Afhankelijk van de kinetische energie van de reactanten, bereiken ze mogelijk niet de top van de curve, in welk geval ze zullen terugvallen op reactanten. Maar als ze snel genoeg botsen en op de juiste manier ten opzichte van elkaar zijn gepositioneerd, wordt de top van de curve bereikt en zullen de producten zich vormen. De energie die nodig is om de overgangstoestand te vormen, is de activeringsenergie.
Met benzine en zuurstof is de activeringsenergie hoog. Dus hoewel er tijdens de reactie een enorme hoeveelheid energie vrijkomt, heeft het een vonk nodig om zijn activeringsenergie te overwinnen. Vanaf hier levert de warmte die wordt gegenereerd door de reactie de activeringsenergie.
Als deze reactie niet spontaan was, zouden we de reactie misschien kunnen forceren, maar de reactie zou niet vanzelf doorgaan.
Zoals u weet, lopen niet alle reacties volledig af. Dit komt omdat Gibbs-vrije energie afhankelijk is van concentraties van reactanten en producten, dus naarmate de producten zich ophopen en de reactanten worden gebruikt, komt $ \ Delta G $ dichter bij 0 en bereikt uiteindelijk een evenwicht, waarbij $ \ Delta G = 0 $. Visualiseer dit scenario op de bovenstaande afbeelding. Als er geen verschil is in Gibbs-vrije energie, zullen de reactanten nog steeds in de overgangstoestand komen en in producten veranderen. Maar de energie die nodig is voor producten om de overgangstoestand te bereiken en reactanten te worden, is equivalent, en dus is de snelheid van de voorwaartse reactie gelijk aan de snelheid van de omgekeerde reactie.
Het verschil tussen reacties die een evenwicht en degenen die naar voltooiing lopen, is de grootte van de $ \ Delta G $ onder standaardomstandigheden (aangeduid met $ \ Delta G ° $). Dit is een maatstaf voor hoe energetisch gunstig de reactie “inherent” is. Als $ \ Delta G ° $ groot en negatief is, loopt de reactie tot voltooiing. Als het kleiner is, zal de reactie op een gegeven moment een evenwicht tot stand brengen.
Dat is in ieder geval in het algemeen waar voor reacties, waarbij alle soorten in dezelfde fase blijven denk ik. Als je je een reactie voorstelt waar een van de producten een gas is dat ontsnapt uit de oplossing van reactanten, dan zullen de producten niet in staat zijn om in reactanten te veranderen.
Antwoord
Het woord “spontaan” heeft verschillende betekenissen in het dagelijks leven en dit is niet nuttig. Ik zie een spontane reactie liever als een reactie die “mag optreden”, zonder enige voorspelling van hoe snel de reactie optreedt. reactie mag niet plaatsvinden – dwz het is niet-spontaan, het kan niet plaatsvinden, ongeacht de kinetische tactiek (katalysator, hogere reactantconcentratie) die we proberen, behalve dat als we het systeem opwarmen, de reactie kan plaatsvinden bij de hogere temperatuur omdat delta G verandert.
Mijn voorkeur zou zijn om het woord spontaan helemaal niet te gebruiken voor chemische reacties, maar o definieer een reactie die is toegestaan als een reactie met een grote evenwichtsconstante. Het verband tussen vrije energieverandering en K betekent dat een grote K een grote negatieve delta G betekent. De reden voor deze benadering is dat evenwichtsconstanten (K) direct experimenteel bewijs van reactie zijn – een grote K betekent dat de reactie praktisch is verlopen naar voltooiing.