Spontaneità

Un processo spontaneo è quello che si verifica naturalmente in determinate condizioni. Un processo nonpontaneo, d’altra parte, non avrà luogo a meno che non sia “guidato” dal continuo apporto di energia da una fonte esterna. I processi hanno una naturale tendenza a verificarsi in una direzione in una data serie di condizioni. L’acqua scorrerà naturalmente in discesa (processo spontaneo), ma il flusso in salita (processo nonpontaneo) richiede un intervento esterno come l’uso di una pompa. Il ferro esposto all’atmosfera terrestre si corrode (processo spontaneo), ma la ruggine non viene convertita in ferro (processo non ferroso) senza trattamento chimico intenzionale. Un processo spontaneo in una direzione in una particolare serie di condizioni non èpontaneo nella direzione inversa. A temperatura ambiente e pressione atmosferica tipica, ad esempio, il ghiaccio si scioglierà spontaneamente, ma l’acqua non si congelerà spontaneamente.

La spontaneità è indipendente dalla velocità di reazione

La spontaneità di un processo non è correlata alla velocità del processo. Mentre un catalizzatore può essere usato per accelerare o rallentare un processo, la sua presenza non influenza la spontaneità: le reazioni nonpontanee non possono essere rese spontanee usando un catalizzatore. Un cambiamento spontaneo può essere così rapido che è essenzialmente istantaneo o così lento che non può essere osservato in nessun periodo di tempo pratico. Per illustrare questo concetto, si consideri il decadimento degli isotopi radioattivi. Il decadimento radioattivo è, per definizione, un processo spontaneo in cui i nuclei di isotopi instabili emettono radiazioni man mano che vengono convertiti in nuclei più stabili. Tutti i processi di decadimento si verificano spontaneamente, ma i tassi con cui i diversi isotopi decadono variano ampiamente. Il tecnezio-99m è un radioisotopo popolare per studi di imaging medico che subisce un decadimento relativamente rapido e mostra un’emidità di circa sei ore. L’uranio-238 è l’isotopo più abbondante dell’uranio, e il suo decadimento avviene molto più lentamente, esibendo un’emidità di oltre quattro miliardi di anni.

Dispersione della materia e dell’energia

Si consideri un sistema isolato costituito da due contenitori collegati con una valvola chiusa. Inizialmente, c’è un gas ideale in un pallone e l’altro pallone è vuoto. Quando la valvola viene aperta, il gas si espande spontaneamente per riempire entrambi i contenitori allo stesso modo. Poiché il sistema è isolato, non è stato scambiato calore con l’ambiente circostante. La spontaneità di questo processo non è quindi una conseguenza di alcun cambiamento di energia che accompagna il processo. Invece, la forza motrice sembra essere correlata alla maggiore e più uniforme dispersione della materia che si verifica quando il gas può espandersi.

Ora considera due oggetti a temperature diverse: l’oggetto X alla temperatura T_X e l’oggetto Y alla temperatura T_Y, con T_X > T_Y. Quando questi oggetti entrano in contatto, il calore scorre spontaneamente dall’oggetto più caldo (X) a quello più freddo (Y). Ciò corrisponde ad una perdita di energia termica di X e ad un guadagno di energia termica da parte di Y. Dal punto di vista di questo sistema a due oggetti, non vi è stato alcun guadagno netto o perdita di energia termica; piuttosto l’energia termica disponibile è stata ridistribuita tra i due oggetti. Questo processo spontaneo ha portato a una dispersione più uniforme dell’energia.

Come dimostrato dai due processi, un fattore importante nel determinare la spontaneità di un processo è la misura in cui cambia la dispersione o la distribuzione della materia e/o dell’energia. In ogni caso, si è svolto un processo spontaneo che ha portato a una distribuzione più uniforme della materia o dell’energia.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Capitolo 16.1: Spontaneità.