Jeder weiß, dass eine Dampflokomotive nicht mit Wasser funktioniert. Doch die Reaktion $ 2H_2O (l) \rightarrow 2H_2 (g) + O_2 (g) $ würde theoretisch genug von dem Gas Wasserstoff $ H_2 $ produzieren, um den Zug vorwärts zu bewegen! Leider geschieht diese Reaktion nicht in der Natur, sie ist nicht nicht spontan . Aber welche Kriterien bestimmen, ob eine Reaktion spontan ist oder nicht??
- Das auf seinen kleinen Füßen unsichere Baby fällt zu Boden. - Die Elektronen in einem Atom werden auf das niedrigste verfügbare Energieniveau gelegt - Ein Herd verliert Wärme - Alle Verbrennungen haben ein negatives $ \Delta H $, dh die Enthalpie, die Energieform, die uns besonders in der Chemie interessiert, nimmt ab.
Systeme neigen dazu, sich spontan zu transformieren, indem sie ihre Energie minimieren.
Aber die Dinge sind nicht so einfach: - Eis in einem Glas Limonade verwandelt sich spontan in wärmeabsorbierendes Wasser . - Wenn wir nasse Kleidung tragen, fühlen wir uns kalt an. Es ist das Wasser, das spontan verdunstet, absorbiert Wärme und entfernt sie aus unserem Körper. - Ammoniumchlorid ($ NH_4Cl $) löst sich spontan im Wasser auf und kühlt es ab, dh es wird Wärme abgeführt! Diese Beobachtungen beweisen jedoch, dass die Minimierung der Energie, also in der Chemie, die im Wesentlichen Wärme verliert, nicht das einzige Kriterium sein kann, das die Spontaneität einer Reaktion bestimmt!
Betrachten Sie die folgenden Transformationen: $H_2O(s)$ $\longrightarrow$ $ H_2O(l) (1)$ (Schmelzen des Eises) $H_2O(l)$ $\longrightarrow$ $ H_2O(s) (2)$ (Frieren des Wassers) Bei $20^oC$, ist (1) spontan, (2) nicht. Bei $-20^oC$, ist (2) spontan, (1) nicht. In Anbetracht der Reaktionen (1) und (2) sehen wir, dass ein Temperaturanstieg die (1) Umwandlung begünstigt, in der das System Wärme gewinnt, eine Absenkung der Temperatur (2), wo das System Wärme verliert .
Bei hoher Temperatur sind die endothermen Reaktionen spontan, bei niedrigen Temperaturen die exothermen Reaktionen
Aber die Dinge sind immer noch nicht so einfach: - Verbrennungen sind exotherm und treten bei hohen Temperaturen auf. - Die endotherme Auflösung von Ammoniumchlorid kann bei niedrigen Temperaturen auftreten.
Diese Beobachtungen beweisen jedoch, dass Temperatur nicht das einzige Kriterium sein kann, das die Spontaneität einer Reaktion bestimmt!
Beispiel 1 Ein Fotograf machte Schnappschüsse, nachdem eine Gruppe eine Ausstellung betreten hatte.
Welches ist das Foto eine halbe Stunde nach dem Öffnen?
Antwort:
Das von unten, das Bild von oben wurde wahrscheinlich unmittelbar nach der Eröffnung aufgenommen.
Warum?
Obwohl ein paar Leute sich die Mühe machen müssen, das Zwischengeschoss zu besteigen ($ \Delta H > 0$), was gegen das Foto von unten plädieren würde, gibt es einfach viel mehr Möglichkeiten für Menschen, vor 5 Bildern zu stehen als vor 2.
Ein Foto wie das von unten ist statistisch viel wahrscheinlicher.
Man sagt, dass in einem isolierten System eine Tendenz zur Zunahme von "Unordnung" besteht. Diese Tendenz herrscht hier auf der Suche nach der geringsten Anstrengung (Minimale Energie) Beispiel 2: Diffusion Oben sehen wir die Moleküle eines Gases. Die Wand ist entfernt.
Was ist los?
Antwort:
Gas diffundiert in die leere Kammer.
Warum?
Es gibt viel mehr mögliche Konfigurationen von Molekülen, wenn sie das gesamte Volumen einnehmen. Bild 3 ist statistisch am wahrscheinlichsten. Beispiel 3: Explosion Ammoniumnitrat ist ein sehr beliebter Sprengstoff unter Terroristen (die es als Dünger kaufen!)
$2NH_4NO_3(s)$ $\longrightarrow$ $2N_2(g)$ $+$ $4H_2O(g)$ $+$ $O_2(g)$
Die Ursache der Explosion, also die schnelle Gasproduktion, ist spontan.
Warum?
Die Produkte dieser Reaktion sind kleine gasförmige Moleküle, die aufgrund ihres großen Volumens und ihrer Diversität viel mehr mögliche Konfigurationen haben als der Feststoff auf der linken Seite, wo die Ionen $ NH_4^+ $ und $ NO_3^- $ in einer festen Position des ionischen Netzwerks eingefügt sind . Die "Unordnung" nimmt von links nach rechts zu. Systeme neigen dazu, sich spontan in maximale Unordnung zu verwandeln. Man berechnet die Wahrscheinlichkeit des Zustands eines Systems (daher die "Unordnung") durch
eine Statusfunktion namens Entropie, Symbol $S$ . Drittes Kriterium: Die statistische Wahrscheinlichkeit
