Αυθορμητισμός
Μια αυθόρμητη διαδικασία στη χημεία είναι αυτή που συμβαίνει χωρίς την ανάγκη εξωτερικής ενέργειας. Επειδή ο αυθορμητισμός δεν σχετίζεται με την κινητική ή τον ρυθμό απόκρισης, μια αυθόρμητη διαδικασία μπορεί να συμβεί γρήγορα ή αργά. Ο μετασχηματισμός του άνθρακα με τη μορφή διαμαντιού σε γραφίτη είναι ένα διάσημο παράδειγμα, το οποίο μπορεί να εκφραστεί ως εξής:
C(s) (διαμάντι)→C(s) (γραφίτης)
Αυτή η διαδικασία διαρκεί τόσο πολύ που είναι μη ανιχνεύσιμη σε ανθρώπινο χρονοδιάγραμμα, επομένως η φράση "τα διαμάντια είναι για πάντα".
Τι είναι ο αυθορμητισμός;
Η συνολική ενέργεια σε ένα απομονωμένο σύστημα παραμένει σταθερή σύμφωνα με τον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής. Αυτός ο κανόνας περιγράφει επίσης τη σύνδεση μεταξύ της εργασίας του συστήματος και της θερμότητας που απορροφάται, χωρίς να περιορίζει την κατεύθυνση της ροής θερμότητας.
Όλες οι φυσικές διεργασίες, από την άλλη πλευρά, συνήθως προχωρούν με έναν μόνο τρόπο. Τι ακριβώς σημαίνει ο όρος «αυθορμητισμός» σε αυτό το πλαίσιο; Ποια είναι τα πολλά στοιχεία που επηρεάζουν την κατεύθυνση μιας αυθόρμητης αλλαγής; Ας δούμε τι μπορούμε να μάθουμε!
Ο αυθορμητισμός είναι κάτι που δεν μπορεί να αντιστραφεί. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας ορισμένους εξωτερικούς παράγοντες, μπορείτε πραγματικά να αντιστρέψετε τη διαδικασία. Η ποσότητα της μη προβλεψιμότητας σε κάθε σύστημα μετριέται από την εντροπία του.
Πρόβλεψη αυθορμητισμού
Γενικά, η συνολική μεταβολή της εντροπίας είναι η πιο σημαντική μέτρηση για την περιγραφή του αυθορμητισμού οποιασδήποτε δραστηριότητας. Μπορεί να ισχυριστούμε ότι υπάρχει μια αλλαγή στην ενθαλπία και την εντροπία, καθώς οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις είναι είτε κλειστά είτε ανοιχτά συστήματα.
Υποστηρίζεται ότι η αλλαγή της εντροπίας από μόνη της δεν μπορεί να είναι υπεύθυνη για τον αυθορμητισμό μιας τέτοιας διαδικασίας, καθώς η ενθαλπία επηρεάζει επίσης τις μοριακές κινήσεις, γεγονός που ενισχύει ή μειώνει την τυχαιότητα. Ως αποτέλεσμα, χρησιμοποιούμε την αλλαγή ενέργειας Gibbs για να περιγράψουμε τον αυθορμητισμό μιας διαδικασίας.
Εξίσωση Gibbs
Μια συνάρτηση κατάστασης είναι η ενέργεια Gibbs. Είναι ένα μεγάλο κομμάτι γης. Ακολουθεί η γενική εξίσωση για την αλλαγή ενέργειας Gibbs σε σταθερή θερμοκρασία:
ΔGsys =ΔHsys – TΔSsys
ΔGsys =Αλλαγή ενέργειας Gibbs του συστήματος
ΔHsys =αλλαγή ενθαλπίας του συστήματος
ΔSsys =αλλαγή εντροπίας του συστήματος
T =Θερμοκρασία του συστήματος
Για τον αυθορμητισμό, η συνολική μεταβολή της εντροπίας, το ΔStotal είναι πάντα μεγαλύτερο από το μηδέν.
ΔStotal =ΔSsys + ΔSsurr
ΔStotal=συνολική αλλαγή εντροπίας για τη διαδικασία
ΔSsys =αλλαγή εντροπίας του συστήματος
ΔSsurr =αλλαγή εντροπίας του περιβάλλοντος χώρου
Εξίσωση αυθορμητισμού
Το απροσδόκητο είναι κάτι που μπορούμε να προβλέψουμε. Η αλλαγή στη συνολική εντροπία της χημείας μιας αντίδρασης. Ως τέτοιος χαρακτηρίζεται ο αυθορμητισμός μιας διαδικασίας. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει σχεδόν κάθε είδους χημική αντίδραση.
Οι επιστήμονες υπέθεσαν επίσης ότι οι αλλαγές στην ενθαλπία βοηθούν στην αύξηση ή μείωση της μη προβλεψιμότητας της χημικής αντίδρασης. Επηρεάζονται επίσης οι μοριακές κινήσεις. Αυτό είναι αδύνατο αφού οι αλλαγές της εντροπίας είναι νοητές μόνο ως αποτέλεσμα της τύχης. Υπάρχει επίσης μια σειρά από πρόσθετες διαδικασίες που αναμένουν συμμετοχή.
Μελετώντας την ενέργεια του Gibb, οι μαθητές μπορούν να κατανοήσουν πλήρως την αυθόρμητη χημεία και τις εξισώσεις.
Τι είναι η διαδικασία αυθορμητισμού;
Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντός του είναι πάντα μηδενική όταν βρίσκεται σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας.
dT =0
Η αλλαγή της ενθαλπίας ευθύνεται. Το περιβάλλον κερδίζει την ίδια ποσότητα ενθαλπίας που τη χάνει το σύστημα. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες έχουν προτείνει εξισώσεις που αντιπροσωπεύουν την αλλαγή στην εντροπία για το σύστημα καθώς και για το περιβάλλον.
ΔSsurr=ΔHsurr/T=−ΔHsys/T
ΔSTotal=ΔSsys+(−ΔHsys/T)
ΔHsurr =ενθαλπία αλλαγή του περιβάλλοντος
ΔHsys =αλλαγή ενθαλπίας του συστήματος
ΔStotal>0
Η αλλαγή της εντροπίας είναι πάντα μεγαλύτερη από το μηδέν όταν πρόκειται για αυθόρμητη διαδικασία. Άρα, συμπεραίνεται ότι
TΔSsys – ΔHsys> 0
ΔHsys– TΔSsys <0
Με την εξίσωση του Gibb, λέγεται ότι "ΔGsys<0".
Τύποι αυθορμητισμού
Διαδικασίες που πραγματοποιούνται χωρίς την ανάγκη εκκινητή
Όταν διαλύετε τη ζάχαρη σε νερό, λαμβάνετε μια λύση.
Η εξάτμιση είναι η διαδικασία εξάτμισης του νερού από ένα σώμα νερού.
Όταν το μονοξείδιο του αζώτου και το οξυγόνο αλληλεπιδρούν, παράγεται διοξείδιο του αζώτου.
Η αντίδραση μεταξύ υδρογόνου και ιωδίου παράγει υδροιώδιο.
Διαδικασίες που συμβαίνουν από μόνες τους αλλά πρέπει να ξεκινήσουν
Η ανάφλεξη ξεκινά τη διαδικασία ανάφλεξης ενός κεριού που καίει κερί.
Η θερμότητα προκαλεί τη θέρμανση του ανθρακικού ασβεστίου, απελευθερώνοντας οξείδιο του ασβεστίου και διοξείδιο του άνθρακα.
Η αλληλεπίδραση μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου, που οδήγησε στην παραγωγή νερού, ξεκίνησε από έναν ηλεκτρικό σπινθήρα. 2H2+O2 =2H2O
Η αλληλεπίδραση μεταξύ μεθανίου και οξυγόνου, που δημιουργεί διοξείδιο του άνθρακα και νερό, ξεκινά με την ανάφλεξη.
Συμπέρασμα
Αν δούμε οποιαδήποτε αλλαγή ενέργειας στην ενέργεια Gibbs του συστήματος ως μικρότερη από το μηδέν σε μια αυθόρμητη χημική αντίδραση, ξέρουμε ότι δεν είναι μια αυθόρμητη διαδικασία. Μπορεί να συναχθεί ότι η σχέση ισχύει και για μια αυθόρμητη αντίδραση. Η ενθαλπία του συστήματος είναι αρνητική όταν πρόκειται για εξώθερμη αντίδραση. Ως αποτέλεσμα, όλες οι εξώθερμες αντιδράσεις είναι αυθόρμητες. Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs γίνεται αρνητική σε μια ενδόθερμη διαδικασία. Συμβαίνει μόνο υπό συγκεκριμένες συνθήκες, όπως όταν η θερμοκρασία αυξάνεται ή όταν η μεταβολή της εντροπίας είναι πολύ μεγάλη.
