Kemiske reaktioner opstår, når to stoffer interagerer for at danne nye forbindelser eller molekyler. Disse processer er allestedsnærværende og væsentlige for livet; NASAs arbejdsdefinition af liv beskriver for eksempel den som et ”selvbærende kemisk system i stand til darwinistisk udvikling. "Flere faktorer bestemmer, hvornår og om en kemisk reaktion vil forekomme.
Kollisioner
Når to molekyler kolliderer med den rigtige orientering og tilstrækkelig kraft, kan der opstå en kemisk reaktion. Ikke alle sammenstød medfører reaktioner; atomer eller molekyler skal være i stand til at rekombineres til dannelse af nye forbindelser. Heliumatomer er for eksempel inerte; de vil ikke reagere med andre gasser, fordi deres yderste elektronskal allerede er fuld.
At bryde bindinger mellem atomer tager energi, mens dannelse af nye bindinger frigiver energi. Hvis en kombination af to atomer har lavere energi end de enkelte atomer, er forbindelsen, som disse atomer danner, stabil. Vi kan bruge termodynamik til at forudsige, om en sådan reaktion vil forekomme.
Entropi
Entropi er et mål for uorden. Den anden lov om termodynamik hævder, at entropien i et lukket system aldrig kan falde. Hvis en reaktion øger den samlede entropi af systemet og dets omgivelser, vil reaktionen være spontan. Reaktioner, der ikke er spontane, forekommer kun, når de kombineres med en spontan reaktion eller som et resultat af at udføre arbejde på et system (dvs. ved at bruge energi, hvilket forårsager en stigning i netentropi). Derfor stiger universets samlede entropi altid.
Som et eksempel styrker din krop reaktioner, der ikke er spontane (fx proteinsyntese) ved hjælp af reaktioner, der frigiver energi og forårsager en stor stigning i total entropi (fx glukosemetabolisme).
Total entropi er vanskelig at måle, så kemikere forudsiger, om reaktionerne vil være spontane ved at beregne Gibbs fri energi, som de definerer som varmen absorberet af en reaktion ved konstant tryk minus temperaturen gangede ændringen i systemets entropi. En negativ energi fra Gibbs indikerer en spontan reaktion.
Ligevægt
Det faktum, at en reaktion er spontan, betyder ikke altid, at det sker hurtigt. Reaktionerne mellem kulstofatomer i diamant er spontane, men disse reaktioner er så langsomme, at diamanter varer meget lang tid.
Reaktioner kan også nå en ligevægtstilstand; når to modsatte reaktioner forekommer i samme hastighed, er der ingen nettoforøgelse i mængden af produktet eller reaktanterne. Alle disse faktorer - ændringen i entropi forårsaget af en reaktion, reaktionens kinetik og ligevægt ved reaktionen - er vigtige for at bestemme, om en reaktion vil forekomme, og hvad den vil ligner.