Chemische Reaktionen treten auf, wenn zwei Substanzen interagieren, um neue Verbindungen oder Moleküle zu bilden. Diese Prozesse sind in der Natur allgegenwärtig und lebenswichtig; Die Arbeitsdefinition des Lebens der NASA beispielsweise beschreibt es als "selbständiges chemisches System". der Darwinschen Evolution fähig ist." Mehrere Faktoren bestimmen, wann und ob eine chemische Reaktion auftreten.
Kollisionen
Wenn zwei Moleküle mit der richtigen Orientierung und ausreichender Kraft kollidieren, kann eine chemische Reaktion erfolgen. Allerdings lösen nicht alle Kollisionen Reaktionen aus; die Atome oder Moleküle müssen in der Lage sein, sich zu neuen Verbindungen zu rekombinieren. Heliumatome sind beispielsweise inert; sie reagieren nicht mit anderen Gasen, weil ihre äußerste Elektronenhülle bereits voll ist.
Das Aufbrechen von Bindungen zwischen Atomen verbraucht Energie, während die Bildung neuer Bindungen Energie freisetzt. Wenn eine Kombination aus zwei Atomen eine niedrigere Energie hat als die einzelnen Atome, ist die Verbindung dieser Atome stabil. Wir können die Thermodynamik verwenden, um vorherzusagen, ob eine solche Reaktion auftritt.
Entropie
Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems niemals abnehmen kann. Wenn eine Reaktion die Gesamtentropie des Systems und seiner Umgebung erhöht, erfolgt die Reaktion spontan. Reaktionen, die nicht spontan sind, treten nur auf, wenn sie mit einer spontanen Reaktion gekoppelt sind oder als Ergebnis von Arbeit an einem System (d. h. durch Energieaufwand, der eine Zunahme der Nettoentropie verursacht). Folglich nimmt die Gesamtentropie des Universums immer zu.
Zum Beispiel treibt Ihr Körper Reaktionen an, die nicht spontan sind (z. B. Proteinsynthese), indem er Reaktionen verwendet, die Energie freisetzen und eine starke Zunahme der Gesamtentropie verursachen (z. B. Glukosestoffwechsel).
Die Gesamtentropie ist schwer zu messen, daher sagen Chemiker voraus, ob Reaktionen spontan ablaufen, indem sie die Gibbs freie Energie, die sie definieren als die von einer Reaktion bei konstantem Druck aufgenommene Wärme abzüglich der Temperatur, multipliziert mit der Entropieänderung des Systems. Eine negative freie Gibbs-Energie weist auf eine spontane Reaktion hin.
Gleichgewicht
Die Tatsache, dass eine Reaktion spontan ist, bedeutet nicht immer, dass sie schnell abläuft. Die Reaktionen zwischen den Kohlenstoffatomen im Diamanten sind spontan, aber diese Reaktionen sind so langsam, dass Diamanten sehr lange dauern.
Reaktionen können auch einen Gleichgewichtszustand erreichen; wenn zwei gegenläufige Reaktionen mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen, gibt es keine Nettozunahme der Produkt- oder Reaktandenmenge. All diese Faktoren – die durch eine Reaktion verursachte Entropieänderung, die Kinetik der Reaktion und die Gleichgewichtspunkt der Reaktion – sind wichtig, um zu bestimmen, ob und was eine Reaktion ablaufen wird aussehen.