Espontaneidad

Un proceso espontáneo es aquel que, bajo ciertas condiciones, ocurre naturalmente. Por otra parte, no se llevará a cabo un proceso no espontáneo a menos que sea “impulsado” por la entrada continua de energía proveniente de una fuente externa. Los procesos tienen una tendencia natural a ocurrir en una dirección bajo un conjunto dado de condiciones. El agua fluirá naturalmente cuesta abajo (proceso espontáneo), pero el flujo cuesta arriba (proceso no espontáneo) requiere de una intervención exterior como el uso de una bomba. El hierro expuesto a la atmósfera terrestre se corroerá (proceso espontáneo), pero el óxido no se convierte en hierro (proceso no espontáneo) sin tratamiento químico intencional. Un proceso que es espontáneo en una dirección bajo un conjunto particular de condiciones no es espontáneo en la dirección inversa. A temperatura ambiente y presión atmosférica típica, por ejemplo, el hielo se fundirá espontáneamente, pero el agua no se congelará espontáneamente.

La espontaneidad es independiente de la velocidad de reacción

La espontaneidad de un proceso no está correlacionada con la velocidad del proceso. Mientras que un catalizador se puede utilizar para acelerar o ralentizar un proceso, su presencia no influye en la espontaneidad: Las reacciones no espontáneas no se pueden hacer espontáneas usando un catalizador. Un cambio espontáneo puede ser tan rápido que es esencialmente instantáneo o tan lento que no puede ser observado en un período razonable de tiempo. Para ilustrar este concepto, considere la desintegración de los isótopos radiactivos. La desintegración radiactiva es, por definición, un proceso espontáneo en el que los núcleos de isótopos inestables emiten radiación a medida que se convierten en núcleos más estables. Todos los procesos de descomposición ocurren espontáneamente, pero las velocidades a las que los diferentes isótopos se desintegran varían ampliamente. El tecnecio-99m es un radioisótopo popular en los estudios médicos de imagenología que sufre una desintegración relativamente rápida y exhibe una vida media de aproximadamente seis horas. El uranio-238 es el isótopo más abundante del uranio y su descomposición se produce mucho más lentamente, con una vida media de más de cuatro mil millones de años.

Dispersión de la materia y la energía

Considere un sistema aislado compuesto por dos matraces conectados con una válvula cerrada. Inicialmente, hay un gas ideal en un matraz y el otro está vacío. Cuando se abre la válvula, el gas se expande espontáneamente para llenar ambos matraces por igual. Puesto que el sistema está aislado, no se ha intercambiado calor con el entorno. La espontaneidad de este proceso no es, por lo tanto, consecuencia de ningún cambio en la energía que acompaña al proceso. En cambio, la fuerza impulsora parece estar relacionada con la mayor dispersión de la materia, más uniforme, que resulta cuando se le permite al gas expandirse.

Ahora considere dos objetos a diferentes temperaturas: El objeto X a temperatura T_X y el objeto Y a temperatura T_Y, con T_X > T_Y. Cuando estos objetos entran en contacto, el calor fluye espontáneamente del objeto más caliente (X) al más frío (Y). Esto corresponde a una pérdida de energía térmica por X y una ganancia de energía térmica por Y. Desde la perspectiva de este sistema de dos objetos, no hubo ganancia neta o pérdida de energía térmica; más bien la energía térmica disponible fue redistribuida entre los dos objetos. Este proceso espontáneo resultó en una dispersión más uniforme de la energía.

Como lo demuestran los dos procesos, un factor importante para determinar la espontaneidad de un proceso es la medida en que cambia la dispersión o distribución de la materia y/o la energía. En cada caso, tuvo lugar un proceso espontáneo que resultó en una distribución más uniforme de la materia o la energía.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Capítulo 16.1: Espontaneidad.