Quindi ecco la mia domanda: sappiamo che lo scioglimento del ghiaccio è una reazione spontanea ma è spontanea? Dobbiamo fornire energia sotto forma di calore affinché la reazione abbia luogo.
Prima di tutto,
cos'è esattamente la reazione spontanea?
In un linguaggio molto semplice, reazione che si verifica in un dato insieme di condizioni senza intervento si chiama reazione spontanea.
Consideriamo ora lo scioglimento del ghiaccio,
Prendi un ghiaccio su un piatto e lascialo per mezz'ora (condizioni). Dopo mezz'ora noteremo l'acqua al posto del ghiaccio.
Questo processo è avvenuto senza alcun intervento da parte tua. Il calore assorbito dal ghiaccio dall'ambiente circostante è dovuto a una serie di condizioni non dovute al tuo intervento.
Quindi possiamo considerare lo scioglimento del ghiaccio come un processo (o reazione) spontaneo.
Quando T > 0 ° C, il ghiaccio si scioglie spontaneamente; il processo inverso, l'acqua liquida che si trasforma in ghiaccio, non è spontaneo a queste temperature. Tuttavia, quando T < 0 ° C, è vero il contrario. L'acqua liquida si converte in ghiaccio spontaneamente e la conversione del ghiaccio in acqua non è spontanea
A T = 0 ° C le fasi solida e liquida sono in equilibrio. A questa particolare temperatura le due fasi si interconvertono alla stessa velocità e non esiste una direzione preferita per il processo: sia il processo in avanti che quello inverso avvengono con la stessa preferenza e il processo non è favorito spontaneamente in una direzione rispetto all'altra. / p>
Quando Δ G è negativo, un processo o una reazione chimica procede spontaneamente nella direzione in avanti.
Anche dall'articolo di wikipedia su Reazione spontanea dice:
Ogni reagente in un processo spontaneo ha la tendenza a formare il prodotto corrispondente. Questa tendenza è correlata alla stabilità. La stabilità è ottenuta da una sostanza se si trova in uno stato energetico minimo o è in massima casualità. Solo uno di questi può essere applicato alla volta. per esempio. La conversione dell'acqua in ghiaccio è un processo spontaneo perché il ghiaccio è più stabile poiché è di energia inferiore. Tuttavia, anche la formazione dell'acqua è un processo spontaneo poiché l'acqua è lo stato più casuale.
Non sono sicuro che tu l'abbia imparato, quindi racconto la storia dall'inizio. (Non ne sono sicuro, ma se è difficile da capire, per favore dimmelo.)
Esiste una legge universale solitamente chiamata la seconda legge della termodinamica . Afferma:
L ' entropia dell'universo tende al massimo. Se un processo è reversibile, l'entropia dell'universo rimarrà invariata; se è irreversibile, l'entropia aumenta.
Beh, non è l'affermazione originale. Storicamente, dall'originale enunciato della legge, si ritiene utile una funzione termodinamica; questa è "entropia" che ho menzionato qui.
Allora, cos'è l'entropia? È un bel mistero perché alla prima partenza le persone non hanno definito cosa sarà; mentre, hanno appena definito come cambia.
Un incremento infinitesimale dell'entropia di un sistema risulta da un trasferimento infinitesimale di calore è $ \ mathrm {d} S = \ delta Q / T $
Ur, penso che non ti piacerà. Si spera, in seguito, che Boltzmann formuli un'ipotesi, ha assunto che l'occupazione di qualsiasi microstato (significa la distribuzione di tutte le particelle che abbiamo interessato nello spazio in questione) sia ugualmente probabile, quindi
Nella maggior parte dei casi , l'entropia è proporzionale al logaritmo del numero di possibili microstati.
Probabilmente pensi ancora che sia difficile da capire ... quindi possiamo dire tutto quanto sopra in un modo più semplice ( ma, penso, un modo meno accurato):
la seconda legge della termodinamica ci insegna, la casualità dell'universo tende a essere il massimo. Se un processo è reversibile, la casualità dell'universo rimarrà invariata; se è irreversibile, la casualità aumenta.
Ma ... non sappiamo ancora come giudicare se un processo è spontaneo o no. Tuttavia, in base alla seconda legge della termodinamica, è facile sapere che la casualità dell'universo aumenta in un processo spontaneo.
Così otteniamo $ \ Delta S_ \ text {universe} = \ Delta S_ \ text {system } + \ Delta S_ \ text {surronding} > 0 $.
Mentre sappiamo anche se il calore trasferito al sistema dall'ambiente circostante è $ Q $, allora $ \ Delta S_ \ text {surronding} = -Q / T $, dove $ T $ è la temperatura dell'ambiente circostante. (Poiché l'ambiente circostante è ampio, possiamo presumere che la temperatura non sia cambiata.)
Quindi otteniamo $ \ Delta S_ \ text {system} - Q / T > 0 $, ovvero $ T \ Delta S_ \ text {system} - Q > 0 $
se ora si presume che il processo sia isobarico (significa che la pressione barometrica del sistema è invariata), allora $ Q = \ Delta H $ e otteniamo $ T \ Delta S_ \ text {system} - \ Delta H > 0 $.
Ora possiamo definire una nuova funzione termodinamica:
Il L ' energia libera di Gibbs di un sistema è $ G = H - TS $.
Quindi possiamo dire che in un processo spontaneo , $ \ Delta G < 0 $. (Se $ \ Delta G = 0 $, è in equilibrio.)
Forse hai saputo tutto ... uh ... quindi risolviamo la domanda: Perché lo scioglimento di ghiaccio una reazione spontanea ?
Sai che in un liquido le particelle si disporranno in modo disordinato quindi in un solido, quindi l'entropia, o l'abbandono del "sistema di reazione", è aumentata, cioè $ \ Delta S_ \ text {system} > 0 $. Tuttavia, quando il ghiaccio si scioglie, $ \ Delta H > 0 $, quindi per $ \ Delta G < 0 $ è necessario mantenere la temperatura più alta o fornire energia ad essa. Allo stesso modo, scoprirai che se la temperatura è abbastanza bassa, l'acqua si congelerà spontaneamente. Questo sembra essere il caso che conosci.
Notato che a volte $ \ Delta G < 0 $, tuttavia la velocità di reazione è troppo bassa, quindi forniamo energia per l'accerlazione. Ad esempio, il diamante brucerà: $ \ ce {C _ {(s, diamond)} + O2 _ {(g)} -> CO2 _ {(g)}}, \ \ Delta G ^ \ circ = -397 \ \ mathrm {kJ} $.
Ma non lo vedrai mai accadere in situazioni comuni: perché è troppo lento.
Non la definirei una reazione, è un cambiamento di fase. Il termine reazione si riferisce a un cambiamento nel legame covalente tra i componenti di un sistema.
Il cambiamento di fase avviene in modo apparentemente spontaneo perché l'ambiente è in grado di donare abbastanza energia libera (molto probabilmente dall'entalpia, potrebbe in caso contrario) per superare l'energia necessaria per attivare il processo di riorganizzazione del sistema (aumento dell'entropia). Le altre risposte hanno fatto un buon lavoro in termini di rigore simbolico, quindi non le ripeterò qui.
Ecco la risposta breve:
Quando il ghiaccio si scioglie, sono le molecole (H2O) che devono guadagnare energia, questo è vero. Tuttavia, devi guardare la Gibbs Free Energy, che è il fattore determinante per capire se una reazione è spontanea o meno. Poiché il disordine aumenta, aumenta il delta S (o entropia). La formula per calcolare Gibbs Free Energy è deltaG = deltaH - TdeltaS. Se la temperatura è sufficientemente alta per un dato deltaS, il deltaG diventerà negativo.