17.1: Spontaneität

Ein spontaner Prozess ist ein Prozess, der unter bestimmten Bedingungen auf natürliche Weise abläuft. Ein nicht-spontaner Prozess hingegen wird nur dann stattfinden, wenn er durch den kontinuierlichen Einsatz von Energie aus einer externen Quelle “angetrieben” wird. Prozesse haben die natürliche Tendenz, unter bestimmten Bedingungen in eine Richtung abzulaufen. Wasser fließt auf natürliche Weise bergab (spontaner Prozess), aber bergauf fließend (nichtspontaner Prozess) erfordert ein Eingreifen von außen, wie z. B. den Einsatz einer Pumpe. Eisen, das der Erdatmosphäre ausgesetzt ist, korrodiert (spontaner Prozess), aber Rost wird ohne absichtliche chemische Behandlung nicht in Eisen umgewandelt (nicht spontaner Prozess). Ein Prozess, der unter bestimmten Bedingungen in eine Richtung spontan ist, ist in umgekehrter Richtung nicht-spontan. Bei Raumtemperatur und typischem Atmosphärendruck schmilzt beispielsweise Eis spontan, aber Wasser gefriert nicht spontan.

Spontaneität ist unabhängig von der Reaktionsgeschwindigkeit

Die Spontaneität eines Prozesses korreliert nicht mit der Geschwindigkeit des Prozesses. Ein Katalysator kann zwar verwendet werden, um einen Prozess zu beschleunigen oder zu verlangsamen, aber seine Anwesenheit hat keinen Einfluss auf die Spontaneität: Nichtspontane Reaktionen können mit einem Katalysator nicht spontan gemacht werden. Eine spontane Veränderung kann so schnell sein, dass sie im Wesentlichen augenblicklich ist, oder so langsam, dass sie nicht über einen praktischen Zeitraum beobachtet werden kann. Um dieses Konzept zu veranschaulichen, betrachten wir den Zerfall radioaktiver Isotope. Der radioaktive Zerfall ist per Definition ein spontaner Prozess, bei dem die Kerne instabiler Isotope Strahlung abgeben, wenn sie in stabilere Kerne umgewandelt werden. Alle Zerfallsprozesse laufen spontan ab, aber die Geschwindigkeiten, mit denen verschiedene Isotope zerfallen, variieren stark. Technetium-99m ist ein beliebtes Radioisotop für medizinische Bildgebungsuntersuchungen, das relativ schnell zerfällt und eine Halbwertszeit von etwa sechs Stunden aufweist. Uran-238 ist das am häufigsten vorkommende Isotop von Uran, und sein Zerfall erfolgt viel langsamer und weist eine Halbwertszeit von mehr als vier Milliarden Jahren auf.

Zerstreuung von Materie und Energie

Stellen Sie sich ein isoliertes System vor, das aus zwei Kolben besteht, die mit einem geschlossenen Ventil verbunden sind. Zunächst befindet sich in einem Kolben ein ideales Gas, und der andere Kolben ist leer. Wenn das Ventil geöffnet wird, dehnt sich das Gas spontan aus und füllt beide Kolben gleichmäßig. Da das System isoliert ist, wurde keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht. Die Spontaneität dieses Prozesses ist daher nicht die Folge einer Änderung der Energie, die den Prozess begleitet. Stattdessen scheint die treibende Kraft mit der größeren, gleichmäßigeren Ausbreitung der Materie zusammenzuhängen, die entsteht, wenn man das Gas ausdehnen lässt.

Betrachten Sie nun zwei Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen: Objekt X bei der Temperatur T_X und Objekt Y bei der Temperatur T_Y, mit T_X > T Y. Wenn diese Objekte in Kontakt kommen, fließt spontan Wärme von dem heißeren Objekt (X) zum kälteren (Y). Dies entspricht einem Verlust an thermischer Energie um X und einem Gewinn an thermischer Energie um Y. Aus der Perspektive dieses Zwei-Objekt-Systems gab es keinen Nettogewinn oder -verlust an thermischer Energie; Vielmehr wurde die verfügbare Wärmeenergie zwischen den beiden Objekten neu verteilt. Dieser spontane Prozess führte zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Energie.

Wie die beiden Prozesse zeigen, ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Spontaneität eines Prozesses das Ausmaß, in dem er die Ausbreitung oder Verteilung von Materie und/oder Energie verändert. In jedem Fall fand ein spontaner Prozess statt, der eine gleichmäßigere Verteilung der Materie oder Energie zur Folge hatte.

Dieser Text wurde übernommen von <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/16-1-spontaneity">Openstax, Chemie 2e, Kapitel 16.1: Spontaneität.