عفوية التفاعلات الكيميائية

الإنتروبيا هي مقياس لكمية العشوائية أو الفوضى في نظام ما. الإنتروبيا هي خاصية واسعة النطاق. يعتمد ذلك على كمية المادة التي تحتويها العينة. يتم التعبير عن الإنتروبيا بالرمز S. يتم قياسه في JK⁻¹أو kgm⁻²s²K⁻¹. الإنتروبيا هي دالة حالة. يعتمد الأمر على حالة النظام وليس على المسار المتخذ.

دعونا نأخذ مثال ذوبان الجليد لفهم الإنتروبيا. نحن نعلم أن جزيئات الماء في الجليد تكون في حالة منظمة. عندما يذوب الجليد ويتحول إلى ماء سائل، تصبح الجزيئات في حالة من الفوضى. أو يمكننا أن نقول أن إنتروبيا جزيئات الماء تزداد.

طاقة جيبس الحرة هي الطاقة المتاحة في النظام والتي يمكن استخدامها لأداء بعض الأعمال. يتم استخدام طاقة جيبس لقياس الحد الأقصى لحجم العمل المنجز في نظام ترموديناميكي عند درجة حرارة وضغط ثابتين. يتم استخدامه لتحديد عفوية التفاعل الكيميائي. على سبيل المثال، إذا كانت طاقة جيبس للمتفاعلات أكبر من طاقة النواتج، فإن التفاعل سوف يستمر تلقائيًا. إذا كانت طاقة جيبس للمواد الناتجة أكبر من المتفاعلات فإن التفاعل سيكون غير تلقائي.

طاقة جيبس هي دالة حالة. ويتم تعريفه من حيث ثلاث وظائف أخرى للدولة. هذه الوظائف الحالة هي درجة الحرارة، والإنتروبيا، والمحتوى الحراري. هذه الوظائف الحالة هي العوامل المحركة للتفاعلات الكيميائية. إن طاقة جيبس باعتبارها دالة حالة لا تعتمد على المسار. يعتمد ذلك على حالة النظام.

طاقة جيبس تساوي مجموع المحتوى الحراري ناقص حاصل ضرب درجة الحرارة في الإنتروبيا. وبالتالي فإن التغير في طاقة جيبس يساوي مجموع التغير في المحتوى الحراري وحاصل ضرب درجة الحرارة والتغير في الإنتروبيا. نظرًا لأن درجة الحرارة تبقى ثابتة، فهذا هو السبب في أننا لا نحسب التغير في درجة الحرارة.

قبل مناقشة عفوية التفاعل الكيميائي، دعونا أولاً نفهم مصطلحي التغير في المحتوى الحراري والتغير في الإنتروبيا. كما نعلم أن المحتوى الحراري هو محتوى الحرارة في النظام. إذا كان التغير في المحتوى الحراري إيجابيا فإن التفاعل يكون ماصا للحرارة. وهذا يعني أنه يجب إضافة الحرارة إلى النظام حتى يحدث التفاعل. إذا كان التغير في المحتوى الحراري سلبيا، فإن التفاعل يكون طاردا للحرارة. وهذا يعني أن الحرارة تنطلق من التفاعل.

كما نعلم أن الإنتروبيا هي مقياس الفوضى في النظام. إذا كان التغير في الإنتروبيا موجبًا أو أكبر من الصفر، فهذا يعني أن النظام انتقل من الحالة المنظمة إلى الحالة غير المنظمة. إذا كان التغير في الإنتروبيا سلبيا أو أقل من الصفر، فهذا يشير إلى أن النظام انتقل من حالة الفوضى إلى حالة المنظمة.

إذا كانت طاقة جيبس الحرة موجبة، فإن التفاعل غير تلقائي. إذا كان سلبيا، فإن رد الفعل يكون تلقائيا. دعونا الآن نناقش كيف ترتبط الإنتروبيا والحرارة الداخلية وطاقة جيبس الحرة في تحديد عفوية التفاعل الكيميائي. إذا كان التغير في المحتوى الحراري سلبيا أو أقل من الصفر وكان التغير في الإنتروبيا إيجابيا أو أكبر من الصفر، فإن قيمة طاقة جيبس ستكون سلبية أو أقل من الصفر. تشير القيمة السالبة لطاقة جيبس الحرة إلى أن التفاعل سيكون تلقائيًا.

على سبيل المثال، عندما يحترق الخشب، فإنه يطلق الحرارة في البيئة. التفاعل طارد للحرارة. في هذه الحالة يكون التغير في المحتوى الحراري أقل من الصفر. كما أن النظام ينتقل من الحالة المنظمة وهي الخشب إلى الحالة الفوضوية وهي الرماد. زيادة العشوائية في النظام. يعتبر التغير في الإنتروبيا إيجابيا في هذه الحالة. وبالتالي فإن قيمة طاقة جيبس ستكون أقل من الصفر. إن حرق الخشب هو رد فعل تلقائي.

إذا كان التغير في طاقة جيبس الحرة موجبًا أو أكبر من الصفر، فإن التفاعل سيكون غير تلقائي. عندما يكون التفاعل ماصًا للحرارة وتكون الإنتروبيا متناقصة أو أقل من الصفر، فإن التغير في طاقة جيبس الحرة سيكون موجبًا أو أكبر من الصفر. سيكون التفاعل غير تلقائي لأنه يتعين علينا توفير الحرارة للنظام لنقله من حالة أقل تنظيمًا إلى حالة أكثر تنظيمًا.

ماذا لو كان لدينا تفاعل معين يكون فيه التغير في المحتوى الحراري إيجابيا ويكون التغير في الإنتروبيا إيجابيا أيضا؟. وبكلمات بسيطة، فإن التفاعل ماص للحرارة وينتقل من الحالة المنظمة إلى الحالة غير المنظمة. هل ستكون طاقة جيبس سلبية أم إيجابية؟. أم يمكننا أن نقول هل سيكون رد الفعل تلقائياً أم غير تلقائي؟. في مثل هذه الحالات، سوف تحدد درجة الحرارة عفوية التفاعل.

إذا كان التغير في المحتوى الحراري والتغير في الإنتروبيا موجبين، فإن قيمة طاقة جيبس ستكون سالبة عند درجة حرارة أعلى. سيكون إيجابيا عند درجة حرارة أقل. ويمكننا القول، في هذه الحالة، أن التفاعل سيكون تلقائياً عند درجة حرارة أعلى. سيكون غير تلقائي عند درجة حرارة منخفضة. على سبيل المثال، عندما يذوب الجليد ويتحول إلى ماء سائل، يكون التغير في المحتوى الحراري إيجابيا. التفاعل ماص للحرارة. والإنتروبيا إيجابية أيضًا في هذه الحالة. يرجع ذلك إلى أن الجليد في الحالة المنظمة يتحول إلى ماء سائل وهو في حالة أقل تنظيماً.

على سبيل المثال، عندما يذوب الجليد ويتحول إلى ماء سائل، يكون التغير في المحتوى الحراري إيجابيا. التفاعل ماص للحرارة. والإنتروبيا إيجابية أيضًا في هذه الحالة. يرجع ذلك إلى أن الجليد في الحالة المنظمة يتحول إلى ماء سائل وهو في حالة أقل تنظيماً. عند درجة حرارة منخفضة، لن يذوب الجليد. وسيكون رد الفعل غير تلقائي. عند درجة حرارة أعلى، سوف يذوب الجليد. وسيكون رد الفعل تلقائيا.

ماذا لو كان التغير في المحتوى الحراري والتغير في الإنتروبيا سلبيين؟. هل سيكون رد الفعل تلقائياً أم غير تلقائي؟درجة الحرارة سوف تحدد العفوية في هذه الحالة. إذا كان التغير في المحتوى الحراري والتغير في الإنتروبيا سلبيين، فإن قيمة طاقة جيبس ستكون موجبة عند درجة حرارة أعلى. سيكون سلبيا عند درجة حرارة أقل. ويمكننا القول، في هذه الحالة، أن التفاعل سيكون تلقائياً عند درجة حرارة أقل. سيكون غير تلقائي عند درجة حرارة أعلى.