17.1: Spontaniczność

Proces spontaniczny to taki, który zachodzi naturalnie w określonych warunkach. Z drugiej strony, proces niespontaniczny nie będzie miał miejsca, jeśli nie będzie “napędzany” przez ciągły dopływ energii z zewnętrznego źródła. Procesy mają naturalną tendencję do zachodzenia w jednym kierunku w danych warunkach. Woda w naturalny sposób spływa w dół zbocza (proces spontaniczny), ale przepływ pod górę (proces niespontaniczny) wymaga interwencji z zewnątrz, takiej jak użycie pompy. Żelazo wystawione na działanie atmosfery ziemskiej będzie korodować (proces spontaniczny), ale rdza nie jest przekształcana w żelazo (proces niespontaniczny) bez celowej obróbki chemicznej. Proces, który jest spontaniczny w jednym kierunku w określonym zestawie warunków, jest niespontaniczny w odwrotnym kierunku. Na przykład w temperaturze pokojowej i typowym ciśnieniu atmosferycznym lód spontanicznie się topi, ale woda nie zamarza spontanicznie.

Spontaniczność jest niezależna od szybkości reakcji

Spontaniczność procesu nie jest skorelowana z szybkością procesu. Chociaż katalizator może być używany do przyspieszania lub spowalniania procesu, jego obecność nie wpływa na spontaniczność: reakcje niespontaniczne nie mogą być spontaniczne przy użyciu katalizatora. Spontaniczna zmiana może być tak szybka, że jest w zasadzie natychmiastowa, lub tak powolna, że nie można jej zaobserwować w żadnym praktycznym okresie czasu. Aby zilustrować tę koncepcję, rozważmy rozpad izotopów promieniotwórczych. Rozpad promieniotwórczy jest z definicji spontanicznym procesem, w którym jądra niestabilnych izotopów emitują promieniowanie, gdy są przekształcane w bardziej stabilne jądra. Wszystkie procesy rozpadu zachodzą spontanicznie, ale szybkość, z jaką rozpadają się różne izotopy, jest bardzo zróżnicowana. Technet-99m jest popularnym radioizotopem do badań obrazowania medycznego, który ulega stosunkowo szybkiemu rozpadowi i wykazuje okres półtrwania wynoszący około sześciu godzin. Uran-238 jest najobficiej występującym izotopem uranu, a jego rozpad zachodzi znacznie wolniej, wykazując okres połowicznego rozpadu wynoszący ponad cztery miliardy lat.

Rozproszenie materii i energii

Rozważmy izolowany system składający się z dwóch kolb połączonych zamkniętym zaworem. Początkowo w jednej kolbie znajduje się gaz doskonały, a druga kolba jest pusta. Po otwarciu zaworu gaz spontanicznie rozszerza się, aby równomiernie napełnić obie kolby. Ponieważ system jest odizolowany, nie dochodzi do wymiany ciepła z otoczeniem. Spontaniczność tego procesu nie jest więc konsekwencją jakiejkolwiek zmiany energii, która mu towarzyszy. Zamiast tego siła napędowa wydaje się być związana z większym, bardziej równomiernym rozproszeniem materii, które powstaje, gdy gaz może się rozszerzać.

Rozważmy teraz dwa obiekty w różnych temperaturach: obiekt X w temperaturze T_X i obiekt Y w temperaturze T_Y, przy czym T_X > T_Y. Kiedy obiekty te się stykają, ciepło spontanicznie przepływa od cieplejszego obiektu (X) do chłodniejszego (Y). Odpowiada to utracie energii cieplnej przez X i zyskaniu energii cieplnej przez Y. Z perspektywy tego dwuobiektowego systemu nie było żadnego zysku ani straty netto energii cieplnej; Zamiast tego dostępna energia cieplna została rozdzielona między dwoma obiektami. Ten spontaniczny proces doprowadził do bardziej równomiernego rozproszenia energii.

Jak pokazują te dwa procesy, ważnym czynnikiem decydującym o spontaniczności procesu jest stopień, w jakim zmienia on rozproszenie lub dystrybucję materii i/lub energii. W każdym przypadku zachodził spontaniczny proces, który skutkował bardziej równomiernym rozkładem materii lub energii.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Rozdział 16.1: Spontaniczność.