Lo que entiendo por reacción espontánea es que – Una reacción cuyo G es negativo y que ocurre sin el aporte de energía.
La gasolina reacciona con el oxígeno solo si se proporciona una chispa. Entonces, ¿cómo puede ser una reacción espontánea?
¿Las reacciones no espontáneas ocurren en la naturaleza? Si es así, ¿siempre son lentos? Si son lentas, ¿cuál es la diferencia entre una reacción espontánea lenta y una reacción no espontánea?
¿Son las reacciones no espontáneas energías activas más que las reacciones espontáneas?
Responder
Las reacciones espontáneas simplemente significan que los productos tendrán menos energía libre que los reactivos ($ \ Delta G $ es negativo). Si $ \ Delta G $ es negativo, entonces es energéticamente favorable para que ocurra la reacción; en otras palabras, habrá una liberación de energía debido a la reacción.
La magnitud de $ \ Delta G $ (qué tan grande es) no dice nada sobre la velocidad de reacción. Por ejemplo, la reacción entre la gasolina y el oxígeno en la atmósfera a temperatura ambiente será extremadamente lenta, a pesar de un $ \ Delta G $ grande y negativo. Esto se debe a que esta reacción tiene una gran energía de activación, $ E_A $.
Espera. Cuando dos reactivos chocan, interactúan para formar una estructura extremadamente inestable llamada estado de transición. El estado de transición es alto en energía y NO es energéticamente favorable, y por lo tanto, el estado de transición colapsa rápidamente de nuevo y se convierte en reactivos o productos. Puede ver esto en la siguiente imagen.
Dependiendo de la energía cinética de los reactivos, es posible que no alcancen la parte superior de la curva, en cuyo caso volverán a ser reactivos. Pero si chocan lo suficientemente rápido y se colocan apropiadamente entre sí, se alcanza la parte superior de la curva y se formarán los productos. La energía requerida para formar el estado de transición es la energía de activación.
Con gasolina y oxígeno, la energía de activación es alta. Entonces, aunque se libera una enorme cantidad de energía durante la reacción, necesita una chispa para superar su energía de activación. A partir de aquí, el calor generado por la reacción suministra la energía de activación.
Si esta reacción no fuera espontánea, podríamos forzar la reacción, pero la reacción no continuaría por sí sola.
Como sabe, no todas las reacciones se completan. Esto se debe a que la energía libre de Gibbs depende de las concentraciones de reactivos y productos, por lo que a medida que los productos se acumulan y los reactivos se utilizan, $ \ Delta G $ se acerca a 0 y finalmente alcanza el equilibrio, donde $ \ Delta G = 0 $. Visualice este escenario en la imagen de arriba. Si no hay diferencia en la energía libre de Gibbs, los reactivos aún llegarán al estado de transición y se convertirán en productos. Pero la energía requerida para que los productos alcancen el estado de transición y se conviertan en reactivos es equivalente y, por lo tanto, la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa.
La diferencia entre las reacciones que alcanzarán un equilibrio y los que se completan es la magnitud de $ \ Delta G $ en condiciones estándar (denotado $ \ Delta G ° $). Ésta es una medida de cuán energéticamente favorable es la reacción «inherentemente». Si $ \ Delta G ° $ es grande y negativo, la reacción se completará. Si es más pequeño, la reacción establecerá un equilibrio en algún momento.
Eso es al menos generalmente cierto para las reacciones, donde todas las especies permanecen en la misma fase, creo. Si imagina una reacción donde uno de los productos es un gas, que escapa de la solución de reactivos, los productos no podrán volver a convertirse en reactivos.
Respuesta
La palabra «espontáneo» tiene diferentes significados en la vida cotidiana y esto no ayuda. Prefiero pensar en una reacción espontánea como una que «se permite que ocurra», sin ninguna predicción de qué tan rápido ocurre la reacción. No se permite que ocurra una reacción, es decir, no es espontánea, no puede ocurrir independientemente de la táctica cinética (catalizador, concentración de reactivo más alta) que intentemos, excepto que si calentamos el sistema, se puede permitir que la reacción ocurra a la temperatura más alta porque delta G cambia.
Mi preferencia sería no usar la palabra «espontáneo» en absoluto para las reacciones químicas, pero t o definir una reacción permitida como una con una constante de equilibrio grande. El vínculo entre el cambio de energía libre y K significa que una K grande significa un delta G negativo grande. La razón de este enfoque es que las constantes de equilibrio (K) son evidencia experimental directa de la reacción; una K grande significa que la reacción ha ido virtualmente a terminación.