17 Voorbeeld van spontane reactie: gedetailleerde uitleg

Een reactie die een natuurlijke drang heeft om vanzelf plaats te vinden onder een bepaalde reeks omstandigheden (zo nodig nadat deze is nagebootst) en van een niet-evenwichtstoestand naar een evenwichtstoestand gaat, wordt een spontane reactie genoemd.

• De reactie van zink met kopersulfaat
• Toevoeging van natriummetaal in water
• Smelten van ijs
• Verdamping van water
• Splitsing van een radioactief atoom
• De reactie van bariumhydroxide-octahydraat met droog ammoniumchloride
• De verbrandingsreactie van steenkool
• De reactie van Azijn met Baking Soda
• Roestvorming
• Conversie van diamant naar grafiet
• Uitbreiding van gas naar het lagedrukgebied
• Geleiding van warmte naar het koudere object
• Neutralisatie van sterk zuur door een sterke base
• Diffusie van opgeloste stof van geconcentreerde naar verdunde oplossing
• Kobalt(II)chloride met thionylchloride
• Azijn met zuur
• Vorming van kooldioxide
• De reactie van azijnzuur en ethanol

De reactie van zink met kopersulfaat

Zink, dat reactiever is dan koper, ondergaat een spontane exotherme reactie waarin koper wordt vervangen door zink en zinksulfaat vormt.

Zn + CuSO₄ -> ZnSO₄ + Cu

Volgens de reactiviteit is seriezink reactiever dan koper, dus wanneer zink wordt toegevoegd aan kopersulfaatoplossing, wordt koper vervangen door zink en vormt ZnSo₄. De blauwgekleurde oplossing wordt kleurloos.

Gibbs' energie en spontaniteit

If ∆G (een thermodynamische potentiaal die wordt gebruikt om de maximale arbeid van een gesloten systeem te berekenen) negatief is, dan zal de reactie spontaan zijn

Het is omdat de reactie verloopt in de richting waarin nuttig werk door het systeem wordt uitgevoerd, waardoor de Gibbs-energie afneemt.

De Gibbs-energieverandering voor een proces wordt gegeven door vergelijking

                                            ∆G = ∆H – T ∆S

Het is duidelijk dat de spontaniteit van een proces afhangt van ∆H, ∆S en T van dit proces

Enkele aandachtspunten;

1)Als ∆H negatief is en ∆S positief, dan is ∆G negatief en zou de reactie zeker spontaan zijn

2) Als zowel ∆H als ∆S negatief zijn, dan zou ∆G negatief zijn en zou het proces alleen spontaan zijn bij voldoende lage temperaturen zodat ∆H > T ∆S numeriek

3) Als zowel ∆H als ∆S positief zijn, zou de zaak negatief zijn en zou het proces alleen spontaan zijn bij temperaturen die voldoende hoog zijn zodat ∆H < T ∆S numeriek

4) Als ∆H positief is en ∆S negatief, dan is ∆G positief en zou de reactie zeker niet-spontaan zijn bij alle temperaturen

De ∆G-waarde voor de bovenstaande reactie is ongeveer -212 bij 298 K, wat negatief is en dus een spontane reactie is.

Toevoeging van natriummetaal in water

Wanneer natriummetaal aan het water wordt toegevoegd, reageert het spontaan met water dat een exotherme reactie ondergaat en een grote hoeveelheid warmte produceert.

Natrium behoort tot de groep 1-elementen in het periodiek systeem en heeft 1-valentie-elektronen, dus ze zijn klaar om dit elektron te verliezen om een ​​elektronische configuratie van edelgas te krijgen die zeer stabiel is.

Dus wanneer natrium aan het water wordt toegevoegd, reageren ze gemakkelijk en geven ze NaOH en H₂ gas met grote hoeveelheid warmte.

2Na(s) + 2H₂O -> 2NaOH (Aq) + H₂ (gas)

Smelten van ijs

Het smelten van ijs tot water is een spontaan proces waarbij ijs warmte uit de omgeving absorbeert en smelt en een endotherme spontane reactie ondergaat.

Volgens de tweede wet van de thermodynamische toename blijft de entropie van een reactie constant voor omkeerbare reacties, terwijl deze toeneemt voor een onomkeerbare reactie (spontane reactie)

Het smelten van ijs gaat ook spontaan reactie voorbeeld.

H₂O (ijs) -> H₂O (Vloeistof)

De neiging van het ijs om te smelten tot vloeibare toestand is omdat de wanorde in een vloeistof meer is dan in een vaste stof en daarom zal entropie van vloeistof meer zijn in vergelijking met ijs en dus een spontane reactie ondergaat.

Verdamping van water

Verdamping van water naar gas verhoogt willekeur omdat en dus entropie en maakt de reactie spontaan.

H₂O (vloeibaar) -> H₂O (gas)

Verdamping van water tot ijs is een endotherme spontane reactie waarbij water warmte uit de omgeving absorbeert en als gevolg van deze temperatuurstijging zal het water verdampen tot gas, waardoor de wanorde in moleculen van een gas en ook de entropie toenemen.

Splitsing van een radioactief atoom

Spontane splitsing is een voorbeeld van een spontane reactie waarbij onstabiele kernen zich in fragmenten splitsen waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt.

Spontane splitsing is een vorm van radioactief verval waarbij een isotoop met onstabiele kernen die worden gesplitst en omgezet in stabieler kernen door straling uit te zenden. De snelheid van het verval van de kernen varieert voor verschillende isotopen. Het is een goed voorbeeld van een spontane reactie.

cf²⁵² -> Xe¹⁴⁰ +Ru¹⁰⁸ + 4n + energie

Reactie van bariumhydroxide-octahydraat met droog ammoniumchloride

Reactie van bariumhydroxide-octahydraat met droog ammoniumchloride is een spontane reactie met een negatieve ∆G-waarde.

Ba (OH)₂ .8H₂O(S) + 2NH₄Cl(S) –> 2BaCl₂.2H₂O (aq) + 8H₂O(l) + 2NH₃(G)

∆H = 63.5 KJ/mol

T = 298 K

∆S =0.368J/K mol

 ∆G = ∆H -T ∆S

      = 63.5 -298 (368) = -46.1 KJ

Gibbs energie is negatief waardoor de reactie spontaan verloopt.

De Verbrandingsreactie van steenkool

Verbrandingsreactie van kolen is een voorbeeld van een spontane reactie en is en is de reden voor kolenbranden in ongecontroleerde omgevingen.

Steenkool + O₂ –> CO + CO₂ +H₂O + Warmte

Steenkool heeft de neiging tot zelfverhitting vanwege de auto-oxidatie van zijn verbindingen, waardoor zelfontbranding de meest voorkomende oorzaak is van ongecontroleerde verbranding. Er zijn veel kolenbranden over de hele wereld die al duizenden jaren branden

De Reactie van azijn met zuiveringszout

Reactie van zuiveringszout (NaHCO₃) met azijn (CH₃COOH) is een exotherme spontane reactie waarbij de enthalpie van productvorming lager is dan die van de enthalpie van reactant

NaHCO₃ +CH₃COOH -> CO₂ + H₂O + CH₃COONa

Roestvorming

Roestvorming is een spontane exotherme reactie waarbij het roesten van ijzer tot zuurstof plaatsvindt in aanwezigheid van vocht

Wanneer een ijzer of zijn legering wordt blootgesteld aan zuurstof in aanwezigheid van vocht ondergaat een redoxreactie tussen zuurstof en ijzer.

bv; Corrosie van ijzer. In deze reactie wordt een rode laag van oxide-ijzer gevormd

Reactie

Fe(len) + 2H⁺ +1/2 O₂ ->Fe²⁺ + H₂O

∆G-waarde voor de bovenstaande reactie blijkt negatief te zijn en is dus een spontane reactie

Conversie van diamant naar grafiet

Conversie van diamant naar grafiet is een spontaan proces omdat grafiet stabieler is allotroop van koolstof dan diamant

Spontane reactie toont de neiging om een ​​toestand van minimale energie te verwerven

Diamant is een stabiele allotroop bij zeer hoge druk en onder normale omstandigheden is de kinetische energie van de diamantdeeltjes langzaam en vrijwel onbestaande.

Maar ze zijn thermodynamisch onstabiel, dus ze worden omgezet in stabieler grafiet met een lage energie in vergelijking met diamant, maar vanwege de lage kinetische energie is de reactie erg traag

Het proces vereist geen chemische reactie waarbij een externe factor wordt toegepast.

Uitbreiding van gas naar lagedrukgebied

Een gas zet spontaan uit in een gebied met lage druk. Het omgekeerde proces vindt nooit vanzelf plaats.

Expansie van gas naar een lagedrukgebied is een goed voorbeeld van een spontane reactie De stroom van gas van een hoge- naar een lagedrukgebied is een natuurlijk proces en het blijft expanderen totdat een toestand van uniforme druk is bereikt.

Geleiding van warmte naar het koudere object

Warmte wordt spontaan langs een object geleid van het warmere naar het koudere uiteinde totdat de temperatuur uniform is langs het object

Als een metalen staaf aan het ene uiteinde heet is en aan het andere uiteinde koud, wordt warmte van het hete uiteinde naar het koudere uiteinde geleid en zal er geen warmtestroom in omgekeerde richting plaatsvinden. Dus een koud object dat in contact komt met een heet object wordt nooit kouder, het wordt heter.

Warmte-energie werkt volgens dit principe en zet warmte of thermische energie om in mechanische energie.

Neutralisatie van sterk zuur door sterke base

Wanneer sterk zuur wordt geneutraliseerd door een sterke base, blijft de neutralisatie-enthalpie altijd constant en hangt deze niet af van welk zuur of welke base wordt gebruikt.

De enthalpie van de neutralisatiewaarde zal altijd -57.32 KJ/mol zijn. Neutralisatie van sterk zuur door sterke base is een voorbeeld van een spontane reactie

Beschouw de neutralisatie van NaOH (sterke base) door HCl (sterk zuur). Ze zijn volledig geïoniseerd in oplossingstoestand en daarom zal de entropie van de reactie hoog zijn.

H⁺Cl^- + Na⁺OH^- –> Na⁺Cl^- +H₂O

de G waarde van de bovenstaande reactie is negatief en is dus een spontane reactie.

Diffusie van opgeloste stof van geconcentreerde naar verdunde oplossing

De spontane diffusie van een opgeloste stof van een meer geconcentreerde oplossing naar een minder geconcentreerde oplossing in contact ermee en gaat door totdat een toestand van uniforme concentratie is bereikt.

Wanneer een geconcentreerde oplossing van opgeloste stof in contact wordt gebracht met een verdunde oplossing ervan, is er een netto diffusie van de opgeloste stof van de eerste naar de laatste en niet in de andere richting.

Kobalt(II)chloride met thionylchloride

Reactie van kobalt (II) chloride met thionylchloride is een voorbeeld van een spontane reactie als de entropie van de reactie is erg hoog.

COCl₂.6H₂O(S) + 6SOCl₂(l) –> COCl₂(s) + 12HCl(g) + 6SO₂(G)

In het product gevormd 12 mol HCl-gas en 6 mol SO₂ gas wordt gevormd en vanwege de entropie, die een maatstaf is voor wanorde, zal toenemen en de reactie mogelijk worden, dat wil zeggen spontaan.

Azijn met zuur

Reactie van azijn met zuur is een spontane reactie omdat de ∆G-waarde daarvoor negatief is.

NaHCO₃(S) + HCL(aq) –> NaCl(aq) + H₂O(l) + CO₂

de gevormde producten bevinden zich in vloeibare en gasvormige toestand, dus wanorde zal meer zijn in vergelijking met reactant en daarom zal entropie ook toenemen, waardoor Gibbs-energie negatief wordt.

Vorming van kooldioxide

Vorming van kooldioxide uit koolmonoxide en zuurstof is een spontane exotherme reactie bij standaardomstandigheden.

CO(g) + 1/2O₂(g) –> CO₂(G)

De ∆S = ∆S _Product  - S _reagens

              = 213.65- [197.65 + ½ (205.0)]

-86.55J/K mol

∆G = ∆H – T ∆S

       = 282800 J/mol – 298 k (-86.5 J/Kmol)

       =-257023 J/mol

∆G is negatief

De Reactie van azijnzuur met ethanol

Reactie van azijnzuur met ethanol is een spontane reactie, maar de reactie-enthalpie is nul.

Azijnzuur en ethanol combineren samen en geven een watermolecuul af dat ethylacetaat vormt.

Conclusie -

Uit de bovenstaande voorbeelden kunnen we concluderen dat spontane reactie een natuurlijk proces is en niet op zichzelf kan worden teruggedraaid en dat een reactie alleen spontaan kan zijn als de entropie hoger is dan de enthalpie van de reactie en ∆G negatief moet zijn.