ما هي أسباب التفاعلات الكيميائية؟

تحدث التفاعلات الكيميائية عندما تتفاعل مادتان لتكوين مركبات أو جزيئات جديدة. هذه العمليات موجودة في كل مكان بطبيعتها وضرورية للحياة ؛ تعريف ناسا العملي للحياة ، على سبيل المثال ، يصفها بأنها "نظام كيميائي ذاتي الاستدامة قادرة على التطور الدارويني. "عدة عوامل تحدد متى وما إذا كان التفاعل الكيميائي سيفعل ذلك تحدث.

عندما يصطدم جزيئين بالاتجاه الصحيح والقوة الكافية ، قد ينتج عن ذلك تفاعل كيميائي. ومع ذلك ، لا تسبب كل الاصطدامات ردود فعل ؛ يجب أن تكون الذرات أو الجزيئات قادرة على إعادة الاتحاد لتشكيل مركبات جديدة. ذرات الهيليوم ، على سبيل المثال ، خاملة ؛ لن تتفاعل مع الغازات الأخرى لأن غلافها الإلكتروني الخارجي ممتلئ بالفعل.

إن كسر الروابط بين الذرات يستهلك الطاقة ، بينما يؤدي تكوين روابط جديدة إلى إطلاق الطاقة. إذا كان مزيج من ذرتين يحتوي على طاقة أقل من الذرات الفردية ، فإن المركب الذي تشكله هذه الذرات يكون مستقرًا. يمكننا استخدام الديناميكا الحرارية للتنبؤ بما إذا كان مثل هذا التفاعل سيحدث.

الانتروبيا هو مقياس للاضطراب. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن إنتروبيا نظام مغلق لا يمكن أن تنخفض أبدًا. إذا زاد التفاعل من الانتروبيا الكلية للنظام ومحيطه ، فسيكون التفاعل تلقائيًا. تحدث التفاعلات غير العفوية فقط عندما تقترن بتفاعل عفوي ، أو نتيجة للعمل على نظام (أي عن طريق إنفاق الطاقة ، مما يؤدي إلى زيادة في صافي الانتروبيا). وبالتالي ، فإن الانتروبيا الكلية للكون تزداد دائمًا.

على سبيل المثال ، يقوم جسمك بتشغيل تفاعلات غير عفوية (على سبيل المثال ، تخليق البروتين) باستخدام التفاعلات التي تطلق الطاقة وتسبب زيادة كبيرة في الانتروبيا الكلية (على سبيل المثال ، استقلاب الجلوكوز).

يصعب قياس الانتروبيا الكلية ، لذلك يتوقع الكيميائيون ما إذا كانت التفاعلات ستكون تلقائية عن طريق حساب جيبس الطاقة الحرة، التي يعرّفونها على أنها الحرارة الممتصة بواسطة تفاعل عند ضغط ثابت ، مطروحًا منها درجة الحرارة ، تضاعف التغيير في إنتروبيا النظام. تشير طاقة جيبس ​​الحرة السلبية إلى تفاعل عفوي.

حقيقة أن رد الفعل عفوي لا يعني دائمًا أنه يحدث بسرعة. تكون التفاعلات بين ذرات الكربون في الماس عفوية ، لكن هذه التفاعلات بطيئة جدًا لدرجة أن الماس يستمر لفترة طويلة جدًا.

يمكن أن تصل التفاعلات أيضًا إلى حالة من التوازن ؛ عندما يحدث تفاعلان متعاكسان بمعدل متساو ، لا توجد زيادة صافية في كمية المنتج أو المتفاعلات. كل هذه العوامل - التغير في الانتروبيا الناجم عن التفاعل ، وحركية التفاعل ، و نقطة توازن التفاعل - مهمة في تحديد ما إذا كان التفاعل سيحدث وماذا سيحدث يبدو مثل.