Кратко и по сути.
1) Роль законов сохранения энергии и энтропии
- Первый закон (сохранение энергии) даёт баланс энергии, но сам по себе не указывает направление реакции: энергия системы и окружения взаимоперемещаются, но это не критерий спонтанности. Формально для изолированной системы изменение внутренней энергии: $\Delta U=Q+W$.
- Второй закон (энтропия) задаёт направление: для самопроизвольного процесса энтропия вселенной увеличивается, $\Delta S_{\text{вс}}>0$. При постоянных давлении и температуре практическим критерием служит энергия Гиббса:
$$\Delta G=\Delta H-T\Delta S,$$ причём
$$\Delta S_{\text{вс}}=-\frac{\Delta G}{T}.$$ Следовательно при $\Delta G<0$ процесс спонтанен (энтропия вселенной растёт).
2) Почему некоторые спонтанные реакции протекают медленно
- Кинетический барьер (активационная энергия): даже если $\Delta G<0$, молекулам нужно преодолеть энергию $E_a$ для превращения. Скорость реакций описывается законом Аррениуса:
$$k=A{\mathrm{e}}^{-E_a/(RT)},$$ где большая $E_a$ резко уменьшает $k$.
- Механизм и промежуточные состояния: сложный многоступенчатый механизм с высокими барьерами на отдельных шагах даёт медленную общую скорость, даже при большой отрицательной $\Delta G$.
- Ограничения диффузии/твёрдый корпус/поверхности: реакции в твёрдом теле или требующие диффузии реагентов идут медленно из-за массопереноса.
- Неудобная ориентация/конформации: малая частота эффективных столкновений (малый предэкспоненциальный множитель $A$).
- Пассивация и защитные слои: образование плёнки (например, оксидной) может замедлять дальнейшую реакцию.
- Примеры: переход алмаза в графит при нормальных условиях термодинамически выгоден ($\Delta G<0$), но кинетический барьер огромен — потому алмаз стабилен геологически долгое время.
3) Практические последствия
- Термодинамика говорит о возможности (направлении, предельном итоге), кинетика — о скорости и реалистичности протекания. Катализаторы ускоряют реакцию, понижая $E_a$, но не меняют $\Delta G$.
Если нужно, могу привести численный пример с конкретными значениями $\Delta H,\Delta S,E_a$ и расчётом скорости.