17.1:
Espontaneidade
Um processo espontâneo é aquele que ocorre naturalmente sob determinadas condições. Um processo não espontâneo, por outro lado, não ocorrerá a menos que seja “guiado” pela entrada contínua de energia de uma fonte externa. Os processos têm uma tendência natural de ocorrer em uma direção sob um determinado conjunto de condições. A água fluirá naturalmente em declive (processo espontâneo), mas o fluxo ascendente (processo não espontâneo) requer intervenção externa, como o uso de uma bomba. O ferro exposto à atmosfera terrestre irá corroer (processo espontâneo), mas a ferrugem não é convertida em ferro (processo não espontâneo) sem tratamento químico intencional. Um processo espontâneo em uma direção sob um determinado conjunto de condições não é espontâneo na direção inversa. À temperatura ambiente e à pressão atmosférica típica, por exemplo, o gelo derreterá espontaneamente, mas a água não congelará espontaneamente.
A Espontaneidade é Independente da Velocidade de Reação
A espontaneidade de um processo não está correlacionada com a velocidade do processo. Embora um catalisador possa ser utilizado para acelerar ou abrandar um processo, a sua presença não influencia a espontaneidade: as reações não espontâneas não podem ocorrer usando um catalisador. Uma mudança espontânea pode ser tão rápida que é essencialmente instantânea ou tão lenta que não pode ser observada em qualquer período prático de tempo. Para ilustrar este conceito, considere o decaimento de isótopos radioativos. A decadência radioativa é, por definição, um processo espontâneo no qual os núcleos de isótopos instáveis emitem radiação à medida que são convertidos em núcleos mais estáveis. Todos os processos de decaimento ocorrem espontaneamente, mas as velocidades de decaimento de diferentes isótopos variam muito. O tecnécio-99m é um radioisótopo popular para estudos de imagiologia médica que sofre uma degradação relativamente rápida e apresenta uma meia-vida de cerca de seis horas. O urânio-238 é o isótopo mais abundante do urânio, e o seu decaimento ocorre muito mais lentamente, exibindo uma meia-vida de mais de quatro mil milhões de anos.
Dispersão de Matéria e Energia
Considere um sistema isolado composto por dois frascos ligados com uma válvula fechada. Inicialmente, existe um gás ideal em um frasco e o outro está vazio. Quando a válvula é aberta, o gás expande-se espontaneamente para encher ambos os frascos de forma igual. Uma vez que o sistema está isolado, não foi trocado calor com as imediações. A espontaneidade deste processo não é, portanto, consequência de qualquer mudança de energia que acompanhe o processo. Em vez disso, a força motriz parece estar relacionada com a maior e mais uniforme dispersão de matéria que resulta quando o gás é permitido expandir.
Agora considere dois objetos a temperaturas diferentes: o objeto X à temperatura TX e objeto Y à temperatura TY, com TX > TY. Quando estes objetos entram em contacto, o calor flui espontaneamente do objecto mais quente (X) para o mais frio (Y). Isto corresponde a uma perda de energia térmica por X e a um ganho de energia térmica por Y. Na perspectiva deste sistema de dois objetos, não houve ganho ou perda líquidos de energia térmica; em vez disso, a energia térmica disponível foi redistribuída entre os dois objetos. Este processo espontâneo resultou em uma dispersão mais uniforme de energia.
Como demonstrado pelos dois processos, um factor importante na determinação da espontaneidade de um processo é a extensão em que ele muda a dispersão ou distribuição da matéria e/ou energia. Em cada caso, ocorreu um processo espontâneo que resultou em uma distribuição mais uniforme da matéria ou da energia.
Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.1: Spontaneity.