Коротко: направление (спонтанность) реакции определяется изменением свободной энергии Гиббса, которая комбинирует вклад энтальпии (тепловой эффект, часто вычисляют через энтальпии образования) и вклада энтропии (статистический «порядок/беспорядок»). Формулы и связи:
- Энтальпия реакции через энтальпии образования:
$$\Delta H^{\circ }=\sum _i{\nu }_i\Delta H_f^{\circ }(\text{продукты})-\sum _j{\nu }_j\Delta H_f^{\circ }(\text{реагенты})$$ - Изменение энтропии реакции:
$$\Delta S^{\circ }=\sum _i{\nu }_i{S}^{\circ }(\text{продукты})-\sum _j{\nu }_j{S}^{\circ }(\text{реагенты})$$ - Связь с Гиббсом:
$$\Delta G^{\circ }=\Delta H^{\circ }-T\Delta S^{\circ }$$ и условие спонтанности при заданных $T,P$: реакция спонтанна, если $\Delta G<0$. При равновесии $\Delta G=0$ и
$$\Delta G^{\circ }=-RT\ln K.$$
Интерпретация:
- $\Delta H^{\circ }<0$ (экзотермическая) делает процесс термодинамически выгодным; $\Delta S^{\circ }>0$ тоже делает выгодным (увеличение беспорядка).
- Окончательное решение зависит от соотношения этих вкладов и температуры. Например, если $\Delta H^{\circ }>0$ и $\Delta S^{\circ }>0$, спонтанность возможна при достаточно высокой температуре, т.е. из неравенства $\Delta G<0$ следует
$$T>\frac{\Delta H^{\circ }}{\Delta S^{\circ }}(\text{при}\Delta S^{\circ }>0).$$ - Аналогично, для $\Delta H^{\circ }<0$ и $\Delta S^{\circ }<0$ процесс спонтанен при низких $T$.
Дополнение: энтальпия образования и стандартные энтропии веществ дают вам численные $\Delta H^{\circ }$ и $\Delta S^{\circ }$, а через $\Delta G^{\circ }$ — предсказание направления реакции и положение равновесия. Однако спонтанность — термодинамическая выгодность, а не скорость: кинетические барьеры могут сделать спонтанную реакцию чрезвычайно медленной.