Spontanéité des réactions chimiques

L'entropie est la mesure de la quantité d'aléatoire ou de désordre dans un système. L'entropie est une propriété extensive. Cela dépend de la quantité de matière contenue dans un échantillon. L'entropie est exprimée par le symbole S. Il est mesuré en JK⁻¹ou kgm⁻²s²K⁻¹. L'entropie est une fonction d'état. Cela dépend de l’état du système plutôt que du chemin emprunté.

Prenons l’exemple de la fonte de la glace pour comprendre l’entropie. Nous savons que les molécules d’eau dans la glace sont dans un état ordonné. Lorsque la glace fond et se transforme en eau liquide, les molécules deviennent désordonnées. Ou nous pouvons dire que l’entropie des molécules d’eau augmente.

L'énergie libre de Gibbs est l'énergie disponible dans un système qui peut être utilisée pour effectuer un travail. L'énergie de Gibbs est utilisée pour mesurer la quantité maximale de travail effectuée dans un système thermodynamique à température et pression constantes. Il est utilisé pour déterminer la spontanéité d'une réaction chimique. Par exemple, si l’énergie de Gibbs des réactifs est supérieure à celle des produits, la réaction se déroulera spontanément. Si l'énergie de Gibbs des produits est supérieure à celle des réactifs, la réaction ne sera pas spontanée.

L'énergie de Gibbs est une fonction d'état. Elle est définie en termes de trois autres fonctions de l’État. Ces fonctions d’état sont la température, l’entropie et l’enthalpie. Ces fonctions d’état sont les facteurs moteurs des réactions chimiques. L'énergie de Gibbs étant une fonction d'état ne dépend pas du chemin. Cela dépend de l'état du système.

L'énergie de Gibbs est égale à la somme de l'enthalpie moins le produit de la température et de l'entropie. Ainsi, le changement de l’énergie de Gibbs est égal à la somme du changement d’enthalpie et du produit de la température et du changement d’entropie. Étant donné que la température est maintenue constante, nous ne calculons pas les changements de température.

Avant de discuter de la spontanéité d’une réaction chimique, comprenons d’abord les termes changement d’enthalpie et changement d’entropie. Comme nous le savons, l’enthalpie est la teneur en chaleur du système. Si le changement d'enthalpie est positif, la réaction est endothermique. Cela signifie que de la chaleur doit être ajoutée au système pour que la réaction ait lieu. Si le changement d’enthalpie est négatif, alors la réaction est exothermique. Cela signifie que de la chaleur est libérée par la réaction.

Comme nous le savons, l’entropie est la mesure du désordre dans un système. Si le changement d’entropie est positif ou supérieur à zéro, cela signifie que le système est passé d’un état ordonné à un état désordonné. Si le changement d’entropie est négatif ou inférieur à zéro, cela indique que le système est passé d’un état désordonné à un état ordonné.

Si l’énergie libre de Gibbs est positive, la réaction n’est pas spontanée. Si elle est négative, la réaction est spontanée. Discutons maintenant de la manière dont l’entropie, l’enthalpie et l’énergie libre de Gibbs sont liées pour déterminer la spontanéité d’une réaction chimique. Si le changement d’enthalpie est négatif ou inférieur à zéro et que le changement d’entropie est positif ou supérieur à zéro, alors la valeur de l’énergie de Gibbs sera négative ou inférieure à zéro. Une valeur négative de l’énergie libre de Gibbs indique que la réaction sera spontanée.

Par exemple, lorsque le bois brûle, il libère de la chaleur dans l’environnement. La réaction est exothermique. Dans ce cas, le changement d’enthalpie est inférieur à zéro. Le système passe également d’un état ordonné, celui du bois, à un état désordonné, celui des cendres. Le caractère aléatoire du système est accru. Le changement d’entropie est positif dans ce cas. La valeur de l’énergie de Gibbs sera donc inférieure à zéro. La combustion du bois est une réaction spontanée.

Si le changement de l’énergie libre de Gibbs est positif ou supérieur à zéro, la réaction ne sera pas spontanée. Lorsque la réaction est endothermique et que l’entropie diminue ou est inférieure à zéro, le changement de l’énergie libre de Gibbs sera positif ou supérieur à zéro. La réaction ne sera pas spontanée car nous devons fournir de la chaleur au système pour le faire passer d’un état moins ordonné à un état plus ordonné.

Que se passe-t-il si nous avons une réaction particulière dans laquelle le changement d’enthalpie est positif et le changement d’entropie est également positif ? En termes simples, la réaction est endothermique et passe d’un état ordonné à un état désordonné. L'énergie de Gibbs sera-t-elle négative ou positive ? Ou pouvons-nous dire si la réaction sera spontanée ou non spontanée ? Dans de tels cas, la température déterminera la spontanéité de la réaction.

Si le changement d'enthalpie et le changement d'entropie sont tous deux positifs, la valeur de l'énergie de Gibbs sera négative à température plus élevée. Il sera positif à basse température. On peut dire que dans ce cas, la réaction sera spontanée à température plus élevée. Elle ne sera pas spontanée à basse température. Par exemple, lorsque la glace fond et se transforme en eau liquide, le changement d’enthalpie est positif. La réaction est endothermique. L'entropie est également positive dans ce cas. C'est parce que la glace dans un état ordonné se transforme en eau liquide qui est dans un état moins ordonné.

Par exemple, lorsque la glace fond et se transforme en eau liquide, le changement d’enthalpie est positif. La réaction est endothermique. L'entropie est également positive dans ce cas. C'est parce que la glace dans un état ordonné se transforme en eau liquide qui est dans un état moins ordonné. À basse température, la glace ne fondra pas. La réaction ne sera pas spontanée. À une température plus élevée, la glace fondra. La réaction sera spontanée.

Que se passe-t-il si le changement d’enthalpie et le changement d’entropie sont tous deux négatifs ? La réaction sera-t-elle spontanée ou non spontanée ?La température déterminera la spontanéité dans ce cas. Si le changement d'enthalpie et le changement d'entropie sont tous deux négatifs, la valeur de l'énergie de Gibbs sera positive à température plus élevée. Il sera négatif à basse température. On peut dire que dans ce cas, la réaction sera spontanée à basse température. Elle ne sera pas spontanée à une température plus élevée.