Reaksi kimia terjadi ketika dua zat berinteraksi untuk membentuk senyawa atau molekul baru. Proses-proses ini ada di mana-mana dan esensial bagi kehidupan; Definisi kehidupan kerja NASA, misalnya, menggambarkannya sebagai "sistem kimia mandiri mampu evolusi Darwin." Beberapa faktor menentukan kapan dan apakah reaksi kimia akan terjadi.
Tabrakan
Ketika dua molekul bertabrakan dengan orientasi yang tepat dan gaya yang cukup, reaksi kimia dapat terjadi. Namun, tidak semua tumbukan menyebabkan reaksi; atom atau molekul harus dapat bergabung kembali untuk membentuk senyawa baru. Atom helium, misalnya, bersifat inert; mereka tidak akan bereaksi dengan gas lain karena kulit elektron terluarnya sudah penuh.
Pemutusan ikatan antar atom membutuhkan energi, sedangkan pembentukan ikatan baru melepaskan energi. Jika kombinasi dua atom memiliki energi lebih rendah daripada atom individu, senyawa yang terbentuk dari atom-atom ini stabil. Kita dapat menggunakan termodinamika untuk memprediksi apakah reaksi seperti itu akan terjadi.
Entropi
Entropi adalah ukuran ketidakteraturan. Hukum Kedua Termodinamika menyatakan bahwa entropi sistem tertutup tidak pernah bisa berkurang. Jika suatu reaksi meningkatkan entropi total sistem dan lingkungannya, reaksi akan berlangsung spontan. Reaksi yang tidak spontan hanya terjadi bila digabungkan dengan reaksi spontan, atau sebagai akibat dari melakukan kerja pada suatu sistem (yaitu dengan mengeluarkan energi, yang menyebabkan peningkatan entropi bersih). Akibatnya, entropi total alam semesta selalu meningkat.
Sebagai contoh, tubuh Anda menggerakkan reaksi yang tidak spontan (misalnya, sintesis protein) menggunakan reaksi yang melepaskan energi dan menyebabkan peningkatan besar dalam total entropi (misalnya, metabolisme glukosa).
Entropi total sulit diukur, jadi ahli kimia memprediksi apakah reaksi akan berlangsung spontan dengan menghitung Energi bebas Gibbs, yang mereka definisikan sebagai panas yang diserap oleh reaksi pada tekanan konstan, dikurangi suhu, dikalikan dengan perubahan entropi sistem. Energi bebas Gibbs negatif menunjukkan reaksi spontan.
Keseimbangan
Fakta bahwa suatu reaksi bersifat spontan tidak selalu berarti terjadi dengan cepat. Reaksi antara atom karbon dalam intan berlangsung spontan, tetapi reaksi ini berlangsung sangat lambat sehingga intan bertahan sangat lama.
Reaksi juga dapat mencapai keadaan setimbang; ketika dua reaksi yang berlawanan terjadi pada tingkat yang sama, tidak ada peningkatan bersih dalam jumlah produk atau reaktan. Semua faktor ini—perubahan entropi yang disebabkan oleh suatu reaksi, kinetika reaksi, dan titik kesetimbangan reaksi—penting dalam menentukan apakah suatu reaksi akan terjadi dan apa yang akan terjadi terlihat seperti.