Miért mennek végbe spontán endoterm reakciók (oldódás, kémia)?

Mert rosszul tanultad :)

A rendetlenség (entrópia) az ami mindig nő spontán folyamatokban. Ez lehet úgy, hogy az energia szétszóródik, de lehet úgy is, hogy a részecskék.

Ezt máshova írtam, az ide vágó részt bemásolom. Olvasd el, ha még mindig nem érted, szólj.

A kémiai anyagok kétféle képpen tárolnak energiát. Az egyik egy hő-szerűség, a másik viszont az, hogy mennyire szabadon tudnak mozogni, pontosabban ahhoz kell az energia, hogy ne tudjanak szabadon mozogni, meg legyenek kötve. A hő-szerűségtől és a kötöttségtől is igyekeznek megszabadulni, azaz fel akarják melegíteni a környezetüket és szabadabbá akarnak válni. A kétféle energia-megszabadulás egymásba konvertálható (itt némileg csaltam, kihagytam a Nagy T-t, de maradjunk most ennyiben). Vagyis a hőtől megszabadulás és a kötetlenség növelése (azaz nevezzük végre el: entrópia növekedés) külön-külön abba az irányba hat, hogy egy reakció spontán végbe menjen. Ha egy reakcióban mind a kettő történik, akkor nagyon boldogan spontán lezajlik. Ha az egyik fél a spontaneitás irányába, a másik pedig ellenében hat (pl megszabadul a hőtől, de rendezettebbé válik), akkor a reakció végbemehet, ha a kettő összege még mindig negatív, azaz ha összességében még mindig megszabadulunk valamekkora energiától. Vagyis endoterm reakciók esetében az történik, hogy olyan nagy entrópianövekedés történik, aminek az energiában (Joule-ban) kifejezett értéke még mindig fedezi a felvett hő mennyiségét.

Hú azért van itt még egy kis maszat a fejedben.

„Ha a Kno3-ot vízben feloldom, akkor nőni fog a rendezetlenség, mert a hőmérséklet is nő“

Nem.

A rendezetlenség azért nő, mert szétszataladnak az ionok. Akármilyen sót oldasz, a rendezetlenség (entrópia) nőni fog, mert egy merev kristályszerkezet helyett amiben az ionok alig-alig tudnak elmozdullni, a vizes oldatban minden ion arra szalad, amerre akar. Az ökölszabály az, hogy szilárdból gáz felé nő a rendezetlenség/entrópia. Illetve ha kevesebb szabadon mozgó (oldott vagy gáz) molekulából több lesz, akkor is nő, mert több részecske többfelé tud mozogni, kaotikusabb. Ha egy nagy molekula kettéhasad, akkor nő az entróia. Ha egy sótömb hirtelen milliárdnyi önállóan mozgó ionná válik, akkor is nő az entrópia.

“Exoterm reakcióknál nő a rendezettség”

Nagyon fontos, lenne ezen a ponton, hogy ne gondolkozzunk egyszer rendezetlenségeben és egyszer rendezettségben (értem én hogy az egyikből jön a másik, de akkor se). Szokjunk hozá, hogy mindig rendezetlenségben, összevisszaságban, káoszban, entrópiában gondolkozunk. Szóval a fenti állításod úgy hangzana, hogy:

“Exoterm reakcióknál csökken az összevisszaság/entrópia”

Ami nem igaz.

Exoterm reakcióknál lehet hogy nő az összevisszaság, lehet hogy csökken. Ez két független dolog, az entrópiának nincs köze a belső energiához. A rendezetlenség “láthatatlan”, azt nem tudod hőmérővel megmérni.

A hő amit lead, az az elektronszekezet átalakulásából adódik, vagyis ha az elektronok kedvezőbb állapotba lerülnek, akkor az előző állapot és az új állapot közötti különbséget hő fromájában kisugározzák. Azonban ha rosszabb állapotba kerülnek, akkor hő formájában felveszik.

Namost például a KNO3 oldásakor pont ez a helyzet. A K+ és NO3- ionok nagyon szeretnek együtt lenni, erős ionos vonzás van köztük. Ha elszakítjuk őket, akkor kedvezőtlenebb belső energiájú állapotba kerülnek, amit kívülről vesznek fel. Vagyis lehűl az oldat. Ugyanakkor az ionok szabdabban mozognak, é sez hajtja a reakciót.

„A képletben meg nem rendezetlenségre írjuk a Ts-t, hanem a rendezettségre,”

Ezt most nem egészen értem, hogy mi az a Ts. Ha t-szer delta S (T*dS) akar lenni, akkor tévedsz, a rendezetlenségre értjük.

Sejtem, hogy téged az zavar meg, hogy az exoterm rekació megnöveli a reakciópartenerek hőmérsékletét, az endoterm meg lecsökkenti. Ezt felejtsd el. A reakció akkor ért véget, amikor a végeredmény visszahűl vagy visszamelegszik a kiidnuló állapotra. Amíg épp oldódik a KNO3, és épp hideg az üveg, addig épp szivattyúzza befelé az energiát. Átmenetileg tényleg csökken az netrópiatényező, sőt ha túlhűl a reakció akkor le is áll addig, amíg vissza nem melegszik annyira, hogy ez a csökkent entrópiatényező megint hajtani tudja.

Vagyis képtzeld el úgy a rekciót, hogy ici-pici lépésekben zajlik előre. Egy KNO3 kettéhasad, ez megnöveli S értékét. T nem igazán változik, tehát T*dS megnő. Valamennyi energiát fel kell venni a közegből, hogy az ionok el tudjanak szakadni. És így tovább.

„Szorzás tehát fordítottan arányos, minél nagyobb a T, annál kisebb az s.”

Ez nem egy fordított aránosság. Ez olyan mintha azt mondanád, hogy a légszennyezettség egyenlő az autók száma szorzva az általuk kipfogott gázzal. Növelheted az autók számát, akkor is növekszik a légyszennyezettség. Beállíthatsz SUV-okat a Teslák helyett (vagyis növeled az egyedi autók szennyezését), akkor is nő a légszennyezettség. Senki nem mondta, hogy a légszenynezettségnek fix értéknek kell lennie (amit nyilván akkor tényleg csak úgy tudnál elérni, ha az autók számát növelve arányosan csökkentenéd az egy autóra jutó kipufogást). A T*dS az pont iylen, külön-külön változhat T is és dS is, és a szorzat maga lesz az ami téged érdekel.

#4/#7

Alapvetően egyet értek a válaszokkal, szép levezetések, de két megjegyzésem volna:

1. A 4. válasszal kapcsolatban szerintem nem szerencsés, hogy az entrópiát is energiaformaként írod le. A rendszer entrópiája úgy is változhat, hogy a belső energiája egyáltalán nem változik, és innentől kezdve elég értelmetlen lesz energiaként hivatkozni rá.

2. A 8. válaszban írtad:

"Átmenetileg tényleg csökken az netrópiatényező,"

Nem, a KNO3 oldódása során nem csökken az entrópia. Ha izolált rendszerben történik a folyamat, akkor is végbemegy (legalább egy darabig), pedig nem tud a környezetből fölvenni energiát. Ekkor csak és kizárólag az határozhatja meg a folyamat irányát, hogy a rendszer entrópiája növekszik (akkor is, ha közben lehűl).

#8

"Az egyik az, hogy ahogy nő a rendezetlensèg, úgy nő a térfogat."

Miért is? Ha feloldod a KNO3-t vízben, akkor az oldat térfogata kisebb lesz, mint a külön a víz és a só térfogata. Ugyanakkor ahogy a 7. válaszoló is írta, az oldódás során az entrópia (rendezetlenség) növekszik.

"És a térfogat egyenesen arányos a hőmérséklet növekedésével (V/T)."

Igen. Ideális gázoknál, ha nem történik semmilyen reakció, és a nyomás állandó. A többi esetben a fenti állítás nem igaz. (Bár reakció vagy oldódás hiányában közelítőleg szilárd és folyékony anyagoknál is igaz lehet.)

"Szóval mégsem indukálja az entrópia növekedés a hőmérséklet növekedését?"

Ki írta azt, hogy az entrópia növekedése a hőmérséklet növekedését indukálja?

"A másik pedig az, hogy én azt hittem, a spontán reakció az a reakció ami magától, külső segítség nélkül megy végbe."

Igaz.

"Most itt azt írták az első komiban azt hiszem, hogy az entrópia az, ami mindig nő a spontán reakcióknál."

Ha a rendszert és a környezetét együtt nézzük, ez is igaz.

Megint úgy érzem (már ha helyesen felételezem, hogy te írtál ki az elmúlt napokban hasonló témájú kérdéseket), hogy úgy akarsz elmélyülni valamiben, hogy nem vagy tisztában az alapokkal. Ezzel a témakörrel a termodinamika foglalkozik. Konkrétan a folyamatok irányával a termodinamika második főtétele. Ez azt mondja ki, hogy csak olyan folyamat mehet végbe, amely során az univerzum entrópiája növekszik vagy nem változik (utóbbiak a reverzibilis folyamatok).

Ez kétféleképpen történhet meg. Egyrészt lehetséges az, hogy a rendszernek (amiben a folyamat végbemegy) entrópiája növekszik. Másrészt lehetséges az is, hogy a rendszerben végbemenő folyamat a rendszer környezetének entrópiáját növeli. Ezt úgy tudja megtenni, hogy hőt ad át neki. (A hő ugye olyan energiaforma, ami a hőmérsékletet növeli, azaz a részecskék rendezetlen hőmozgását gyorsítja, tehát növeli az entrópiát.)

Tehát ha van egy exoterm folyamatunk, az úgy is végbemehet, hogy a folyamat során a rendszer entrópiája csökken, feltételezve, hogy azáltal, hogy a folyamat során felmelegedett rendszer hőt ad le a környezetnek, nagyobb mértékben növeli annak az entrópiáját, mint amennyire a sajátját csökkenti. Ugyanakkor endoterm folyamat során a rendszer entrópiája csak növekedhet, hiszen azáltal, hogy hőt vesz fel a környezetből, annak entrópiája csökken.

Nem spontán endoterm reakciónál megtörténhet az is, hogy a rendszer entrópiája is csökken, de az is, hogy a hőátadás miatt olyan mértékben csökken a környezet entrópiája, hogy azt már a folyamat következtében a rendszerben bekövetkező entrópia növekedés nem tudja kompenzálni.

Itt írtam a témáról bővebben és alaposabban a 87. válaszomban:

https://www.gyakorikerdesek.hu/tudomanyok__termeszettudomany..

A válasz végén található egy link is egy egyetemi termodinamika tankönyvhöz, ha tényleg alaposan szeretnél elmélyülni ebben a témában.