I hverdagen og i laboratorier er der reaktioner og transformationer, der er spontane og andre, der ikke er spontane. For eksempel er al forbrænding en spontan reaktion, for når den er startet, vil den fortsætte, indtil alt brændstoffet er forbrugt, eller indtil alt iltet er væk.
På den anden side er elektrolyse en ikke-spontan proces, hvor elektrisk energi omdannes til kemisk energi. Et eksempel er elektrolyse af natriumchlorid (NaCl). Når en elektrisk strøm føres over dette smeltede salt, er der redoxreaktioner og dannelsen af metallisk natrium (Na(s)) og chlorgas (Cl2 (g)). Hvis vi holder op med at køre den elektriske strøm, fortsætter reaktionen ikke alene, hvilket viser, at den ikke er spontan.
En reaktions spontanitet kan måles ved hjælp af Gibbs-Helmholtz ligning, Givet nedenfor:
På hvilke:
∆G = variation af fri energi;
∆H = entalpiændring;
T = temperatur i Kelvin (altid positiv);
∆S = ændring af entropi.
Denne ligning tager sit navn, fordi den blev foreslået af den amerikanske fysiker J. Willard Gibbs (1839-1903) og af den tyske fysiker Hermann Helmholtz (1821-1894).
For bedre at forstå, hvordan denne ligning hjælper os med at bestemme spontaniteten af en reaktion, lad os kort gennemgå hvert af de begreber, der er involveret i den:
- ∆H (entalpi-variation): Enthalpy (H) er energiindholdet i et stof. Indtil videre er der ingen måde at bestemme det på. I praksis er det, der opnås, at måle entalpi-variationen (∆H) af en proces ved hjælp af kalorimetre. Denne variation er mængden af energi, der blev frigivet eller absorberet i processen.
- ∆S (entropi variation):Entropi (S) er den termodynamiske størrelse, der måler graden af uorden i et system.
For eksempel bevæger molekyler sig i smeltende is fra et faststof til en flydende tilstand, hvor der er større desorganisering. Dette betyder, at entropien steg i denne proces (∆S> 0).
Ved produktion af ammoniak (NH3), 1 mol nitrogengas reagerer med 3 mol hydrogengas (dvs. 4 mol molekyler i reaktanterne), hvilket giver anledning til 2 mol ammoniak:
N2 (g) +3 H2 (g) → 2 NH3 (g)
Da antallet af molekyler i gasfasen falder i denne proces, faldt desorganiseringen, hvilket betyder, at entropien også faldt (∆S <0).
- ∆G (fri energi): Gratis energi eller Gibbs fri energi (fordi det kun blev foreslået af denne videnskabsmand i 1878) er den nyttige energi i systemet, der bruges til at udføre arbejde.
Et system har global energi, men kun en brøkdel af den energi vil blive brugt til at udføre arbejde, dette kaldes Gibbs fri energi, symboliseret ved G.
Ifølge Gibbs, en proces betragtes som spontan, hvis den udfører arbejde, det vil sige, hvis G falder. I dette tilfælde vil transformationens endelige tilstand være mere stabil end den oprindelige, når ∆G <0.
Baseret på dette kan vi konkludere følgende:
Vi kan også se, om en proces vil være spontan ved at se på det algebraiske tegn på ∆H og ∆S i ligningen Gibbs-Helmholtz:
Af Jennifer Fogaça
Uddannet i kemi
Kilde: Brasilien skole - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/energia-livre-gibbs.htm