主な違い – 自発的反応と非自発的反応

環境中で起こりうる化学反応には、自発的反応と非自発的反応の2種類があります。

自然発生的な反応は、与えられた条件のもとで勝手に起こるものです。

しかし、非自発的な反応を進行させるためには、エネルギーが供給される必要がある。

自発的な反応では、ギブスの自由エネルギーの変化は負の値です。

そのため、これらの反応は熱という形でエネルギーを周囲に放出する。

非自発的な反応では、ギブスの自由エネルギーの変化は正です。

環境からエネルギーを吸収する。

そのため、自発的な反応は発熱性であり、非自発的な反応は内燃性です。

自発的反応と非自発的反応の大きな違いは、自発的反応は系から自由エネルギーを放出し、系をより安定にするのに対し、非自発的反応は系の全エネルギーを増加させることである。

自然反応とは

自然発生的な反応とは、外からの力によって駆動されることなく起こる化学反応のことを指す。

化学反応の駆動力は、エンタルピーとエントロピーの2つです。

エンタルピーとは、系の熱力学的性質の一つで、系の圧力と体積の積に内部エネルギーを加えたものです。

エントロピーはもう一つの熱力学的性質で、系の単位温度あたりの熱エネルギーを説明するものです。

分子のランダム性、無秩序性を表す。

化学反応の発生が、系のエンタルピーを減少させ、エントロピーを増加させるとき、それは好ましい反応とみなされる。

自然反応は上記の2つの条件を満たすため、内部の介在なしに起こる。

燃焼は自然反応の一例です。

火災の生成物の一部は、二酸化炭素と水蒸気の2つの気体で構成されている。

燃焼は熱を発生させる。

したがって、これは外向的な反応です。

熱は系のエントロピーを増大させる。

しかし、燃焼の生成物のエントロピーは減少している。

非自発的反応とは

非自発的反応とは、化学反応を進行させるためにエネルギーの投入を必要とする反応を指します。

非自発的反応では、エンタルピーとエントロピーの両方が反応物側に有利に働く。

したがって、反応物は生成物よりも安定です。

その分、化学反応はエンドエルゴニックで、熱を吸収する。

それはエントロピーも減少させる。

非自発的な反応におけるギブス自由エネルギーの経時変化を図2に示す。

図2: ギブズ自由エネルギーの時間変化

大気中の窒素と酸素の反応は、非自発的反応の一例です。

一酸化窒素が生成される。

通常の大気圧と温度では、この反応は不利です。

つまり、化学反応の反応物、すなわち窒素ガスと酸素ガスは、生成物である一酸化窒素よりも安定です。

しかし、雷のような非常に高い温度では、この反応は有利になります。

自発的反応と非自発的反応の類似性

• 自然反応と非自発反応は、どちらも環境中で起こる。
• 自発的反応も非自発的反応も、境界が定義された系で起こる。
• 自発的反応、非自発的反応ともに熱力学の三法則に従う。

自発的反応と非自発的反応の違い

定義

自発的な反応。

自然発生的な反応とは、外力によって駆動されることなく起こる化学反応を指す。

非自発的反応。

非自発的な反応とは、化学反応を進行させるためにエネルギーの投入を必要とするものを指す。

好意的／否定的

自発的な反応 自発的な反応は好ましい。

非自発的な反応。

非自発的な反応は好ましくない。

エネルギー入力

自発的な反応。

ある条件下で進行するためにエネルギー投入を必要としない自然発生的な反応。

非自発的反応。

非自発的な反応は、進行するためにエネルギー投入を必要とする。

ギブズ自由エネルギーの変化

自発的な反応。

自発的反応におけるギブス自由エネルギーの変化は負である（ΔG°＜0）。

非自発的反応。

非自発的反応のギブス自由エネルギーの変化は正（ΔG° > 0）です。

システムの全エネルギー

自発的な反応 自発的な反応により、系の自由エネルギーが解放され、系がより安定になる。

非自発的反応。

非自発的な反応は、系の全エネルギーを増加させる。

製品の総エネルギー量

自発的な反応 自然反応の生成物の総エネルギーは、反応物の総エネルギーより小さい。

非自発的反応。

エンタルピー

自発的な反応。

自発的な反応では、エンタルピーは負になる。

非自発的反応。

非自発的な反応では、正のエンタルピーを持つ。

Exergonic/Endergonic Reactions (発熱性反応)

自発的な反応。

自発的な反応は、発熱性反応です。

非自発的反応。

非自発的な反応は、内向的な反応です。

エントロピ

自発的な反応。

自発的な反応はエントロピーを増加させる。

非自発的反応。

非自発的な反応はエントロピーを減少させる。

反応速度

自発的な反応。

自発的に起こる反応。

非自発的な反応。

非自発的な反応は、それほど速くはない。

例

自然発生的な反応。

燃焼反応は自然発生的です。

非自発的な反応。

大気中の窒素と酸素の反応は、非自発的反応の一例です。

結論

環境中で起こる化学反応には、自発的反応と非自発的反応の2つがあります。

自然発生的な反応は、発熱性です。

つまり、系のエンタルピーを減少させ、エントロピーを増加させる。

しかし、非自発的な反応は、内向的な反応です。

この反応は、進行するために外部からのエネルギー投入を必要とするため、系のエンタルピーを増加させる。

また、エントロピーを減少させる。

そのため、自然発生的な反応は、ある化学反応の下では有利です。

しかし、非自発的な反応は好ましくない。

自発的反応と非自発的反応の主な違いは、それぞれのタイプの反応の熱力学的特性です。