یک واکنش شیمیایی به خودی خود شروع نمی شود و همیشه انرژی خاصی برای شروع آن نیاز است. انرژی آزاد گیبس کمیتی است که خودبه‌خودی بودن واکنش را پیش بینی می کند.

 

برخی از واکنش ها ممکن است که به کمترین میزان انرژی برای شروع شدن نیاز داشته باشند. تصور کنید که با یک ضربه ی انگشت شما نیز واکنش شروع می شود. برخی دیگر با صرف انرژی فوق العاده زیاد هم انجام نمی شوند. حتی اگر بمب اتمی هم در کنار آن ها منفجر شود، واکنش انجام نخواهد شد.

اگر واکنشی به کمترین میزان انرژی برای آغاز شدن نیاز داشته باشد، به آن واکنش خودبه‌خودی می گوییم و اگر واکنشی با صرف انرژی بسیار بسیار زیاد هم انجام نشود، به آن واکنش غیرخودبه‌خودی می گوییم.

حال این سؤال در ذهن ایجاد می شود که چگونه بفهمیم واکنشی خود به خودی است یا غیرخود به خودی؟ ویلارد گیبس (فیزیکدان آمریکایی) در سال 1873 پاسخ ما را داده است. از نظر او واکنشی که در آن آنتروپی افزایش یافته و آنتالپی کاهش یابد، خود به خودی خواهد بود.

اما چرا باید یک واکنش با کاهش آنتالپی و افزایش آنتروپی همراه باشد تا خودبه‌خودی نام بگیرد؟

الف: کاهش آنتالپی

در اینجا منظور از کاهش آنتالپی در واکنش، همان ΔH<0 است. چه زمانی آنتالپی منفی بود؟ هنگامی که واکنش ما گرماده باشد. همان طور که می دانید یکی از انرژی های لازم برای شروع یک واکنش، گرفتن گرما است یعنی واکنشی گرماگیر باشد اما اگر واکنش ما گرماده باشد، یعنی نه تنها به انرژی گرمایی برای شروع خود نیازی ندارد بلکه گرما را دفع هم می کند.

فراموش نکنید که ما به کمترین میزان انرژی لازم نیاز داشتیم. وقتی واکنشی انرژی گرمایی جذب نمی کند و نیازی به این کار ندارد، یعنی کار خود را برای خودبه‌خود شروع شدن آسان کرده است.

ب: افزایش آنتروپی

آنتروپی به معنای بی نظمی در سامانه بود. یعنی اگر به عنوان مثال، واکنش گازی شکلی داریم (در یک واکنش همه ی مواد گازی شکل باشند)، تعداد مول های گازی فراورده بیشتر از واکنش دهنده ها باشد. این همان افزایش بی نظمی است چرا که گاز ها مدام در حال حرکت می باشند و هرچه تعدادشان بیشتر باشد، بی نظمی آن ها نیز بیشتر خواهد بود.

تا به اینجای کار قبول اما ربط افزایش آنتروپی با انرژی آزاد گیبس و خودبه‌خودی بودن واکنش چیست؟ همان طور که در شیمی پیش دانشگاهی خواهید خواند، برای انجام واکنش، باید ذرات مواد واکنش دهنده به هم برخورد داشته باشند و هرچه تعداد این برخورد ها بیشتر باشد، واکنش سریع تر و با محصول بیشتری انجام خواهد شد. مسلم است که هرچقدر هم بی نظمی بین مواد بیشتر باشد، احتمال برخورد میان آن ها بیشتر خواهد بود.

تصور کنید عده ای در یک سالن نشسته اند (مولکول های جامد). این عده با هم برخوردی ندارند و بی نظمی هم ندارند اما در یک پیاده روی شلوغ، هر کس به طرفی می رود و بی نظمی زیاد است. به همین خاطر احتمال برخورد میان آن ها نیز بیشتر است.

هرچه احتمال برخورد میان ذرات واکنش دهنده بر اثر بی نظمی زیاد، بیشتر باشد، واکنش بیشتر خودبه‌خود خواهد بود.

گیبس رابطه ای برای مفهوم خود بیان کرد که به صورت زیر است:

\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S

در اینجا ΔG همان انرژی آزاد گیبس است. هرچه این کمیت منفی تر باشد، واکنش خودبه‌خودی تر خواهد بود. چه زمانی این کمیت منفی می شود، زمانی که آنتالپی منفی باشد و آنتروپی مثبت چراکه آنتالپی علامت پشتش در این رابطه مثبت است و اگر خودش منفی باشد، در کل منفی خواهد بود؛ و آنتروپی مثبت باشد چراکه علامت پشتش منفی است و درکل منفی می شود.