O que entendo por reação espontânea é que – uma reação cujo G é negativo e que ocorre sem a entrada de energia.
A gasolina reage com o oxigênio apenas se uma faísca for fornecida. Então, como pode ser uma reação espontânea?
As reações não espontâneas ocorrem na natureza? Se sim, eles são sempre lentos? Se forem lentas, qual é a diferença entre uma reação espontânea lenta e uma reação não espontânea?
As reações não espontâneas são energias ativas mais do que as reações espontâneas?
Resposta
As reações espontâneas simplesmente significam que os produtos terão menos energia livre do que os reagentes ($ \ Delta G $ é negativo). Se $ \ Delta G $ for negativo, então é energeticamente favorável para a reação ocorrer – em outras palavras, haverá uma liberação de energia devido à reação.
A magnitude de $ \ Delta G $ (quão grande é) não diz nada sobre a velocidade da reação. Por exemplo, a reação entre a gasolina e o oxigênio na atmosfera à temperatura ambiente será extremamente lenta, apesar de um $ \ Delta G $ grande e negativo. Isso ocorre porque essa reação tem uma grande energia de ativação, $ E_A $.
Espere. Quando dois reagentes colidem, eles interagem para formar uma estrutura extremamente instável chamada de estado de transição. O estado de transição tem alta energia e NÃO é energeticamente favorável e, portanto, o estado de transição rapidamente entra em colapso e se torna os reagentes ou os produtos. Você pode ver isso na imagem a seguir.
Dependendo da energia cinética dos reagentes, eles podem não atingir o topo da curva, caso em que eles voltarão a ser reagentes. Mas se eles colidirem rápido o suficiente e forem posicionados apropriadamente um em relação ao outro, o topo da curva será alcançado e os produtos se formarão. A energia necessária para formar o estado de transição é a energia de ativação.
Com gasolina e oxigênio, a energia de ativação é alta. Portanto, embora uma quantidade enorme de energia seja liberada durante a reação, ela precisa de uma centelha para superar sua energia de ativação. A partir daqui, o calor gerado pela reação fornece a energia de ativação.
Se essa reação não fosse espontânea, poderíamos ser capazes de forçar a reação, mas a reação não continuaria por conta própria.
Como você sabe, nem todas as reações são concluídas. Isso ocorre porque a energia livre de Gibbs é dependente das concentrações de reagentes e produtos, então conforme os produtos se acumulam e os reagentes são usados, $ \ Delta G $ torna-se mais próximo de 0, eventualmente alcançando o equilíbrio, onde $ \ Delta G = 0 $. Visualize este cenário na imagem acima. Se não houver diferença na energia livre de Gibbs, os reagentes ainda chegarão ao estado de transição e se transformarão em produtos. Mas a energia necessária para que os produtos atinjam o estado de transição e se tornem reagentes é equivalente e, portanto, a taxa da reação direta é igual à taxa da reação reversa.
A diferença entre as reações que atingirão um equilíbrio e aqueles que vão até a conclusão é a magnitude de $ \ Delta G $ nas condições padrão (denotado $ \ Delta G ° $). Esta é uma medida de quão energeticamente favorável é a reação “inerentemente”. Se $ \ Delta G ° $ for grande e negativo, a reação será concluída. Se for menor, a reação estabelecerá um equilíbrio em algum ponto.
Isso é pelo menos geralmente verdadeiro para reações, onde todas as espécies permanecem na mesma fase, eu acho. Se você imaginar uma reação onde um dos produtos é um gás que escapa da solução de reagentes, então os produtos não serão capazes de se transformar em reagentes.
Resposta
A palavra “espontâneo” tem significados diferentes na vida cotidiana e isso é inútil. Eu prefiro pensar em uma reação espontânea como aquela que “pode ocorrer”, sem qualquer previsão de quão rápido a reação ocorre. a reação não pode ocorrer – isto é, não é espontânea, não pode ocorrer quaisquer táticas cinéticas (catalisador, concentração de reagente mais alta) que tentarmos, exceto que se aquecermos o sistema, a reação pode ocorrer na temperatura mais alta porque o delta G muda.
Minha preferência seria não usar a palavra “espontâneo” para reações químicas, mas t o definir uma reação que é permitida como uma com uma grande constante de equilíbrio. A ligação entre a mudança de energia livre e K significa que um grande K significa um grande delta negativo G. A razão para esta abordagem é que as constantes de equilíbrio (K) são evidências experimentais diretas da reação – um grande K significa que a reação praticamente foi para conclusão.