Entropia

W naturze istnieje tendencja systemów do postępu w kierunku stanu większego nieuporządkowania lub przypadkowości. Entropia jest miarą stopnia przypadkowości lub nieuporządkowania systemu. Entropia jest pojęciem łatwym do zrozumienia, gdy myślimy o codziennych sytuacjach. Entropia w pokoju, który został niedawno posprzątany i zorganizowany jest niska. W miarę upływu czasu będzie on prawdopodobnie stawał się coraz bardziej nieuporządkowany, a zatem jego entropia będzie rosła (patrz rysunek poniżej). Naturalną tendencją systemu jest wzrost jego entropii.

Reakcje chemiczne również mają tendencję do przebiegania w taki sposób, aby zwiększać całkowitą entropię układu. Jak można stwierdzić, czy dana reakcja wykazuje wzrost czy spadek entropii? Pewnych wskazówek dostarcza stan molekularny reagentów i produktów. Poniższe przypadki ogólne ilustrują entropię na poziomie molekularnym.

1. Dla danej substancji entropia stanu ciekłego jest większa niż entropia stanu stałego. Podobnie, entropia gazu jest większa niż entropia cieczy. Dlatego entropia wzrasta w procesach, w których stałe lub ciekłe reagenty tworzą produkty gazowe. Entropia wzrasta również wtedy, gdy stałe reagenty tworzą produkty ciekłe.
2. Entropia wzrasta, gdy substancja zostaje rozbita na wiele części. Proces rozpuszczania zwiększa entropię, ponieważ cząsteczki solutu oddzielają się od siebie, gdy powstaje roztwór.
3. Entropia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Wzrost temperatury oznacza, że cząsteczki substancji mają większą energię kinetyczną. Szybciej poruszające się cząsteczki mają więcej nieuporządkowania niż cząsteczki poruszające się wolniej w niższej temperaturze.
4. Entropia ogólnie wzrasta w reakcjach, w których całkowita liczba cząsteczek produktu jest większa niż całkowita liczba cząsteczek reagenta. Wyjątkiem od tej reguły jest sytuacja, w której z reagentów nie będących gazami powstaje gaz.

Poniższe przykłady posłużą do zilustrowania, w jaki sposób można przewidzieć zmianę entropii w reakcji.

(^ce{Cl_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{Cl_2} \entropia maleje, ponieważ gaz staje się cieczą.

(^CaCO_3} \left( s \right) \rightarrow \ce{CaO} \left( s \right) + \ce{CO_2} \left( g \right)\)

Enstropia rośnie, ponieważ powstaje gaz i rośnie liczba cząsteczek.

(\ce{N_2} \left( g \right) + 3 \ce{H_2} \left( g \rightarrow) \rightarrow 2 \ce{NH_3}

Antropia maleje, ponieważ cztery całkowite cząsteczki reagentów tworzą dwie całkowite cząsteczki produktu. Wszystkie są gazami.

(^ce{AgNO_3} ∗ lewa strona( aq ∗ prawa strona) + ∗NaCl} \left( aq \rightarrow \ce{NaNO_3} \left( aq \right) + \ce{AgCl} \entropia maleje, ponieważ z wodnych reagentów powstaje ciało stałe.

(^H_2} \left( g \right) + \ce{Cl_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{HCl}

Zmiana entropii jest nieznana (ale prawdopodobnie nie zerowa), ponieważ po obu stronach równania znajduje się taka sama liczba cząsteczek i wszystkie są gazami.