Le reazioni chimiche si verificano quando due sostanze interagiscono per formare nuovi composti o molecole. Questi processi sono onnipresenti in natura ed essenziali per la vita; La definizione operativa della vita della NASA, ad esempio, la descrive come un "sistema chimico autosufficiente" capace di evoluzione darwiniana." Diversi fattori determinano quando e se una reazione chimica avverrà si verificano.
collisioni
Quando due molecole si scontrano con il giusto orientamento e una forza sufficiente, può verificarsi una reazione chimica. Tuttavia, non tutte le collisioni causano reazioni; gli atomi o le molecole devono essere in grado di ricombinarsi per formare nuovi composti. Gli atomi di elio, per esempio, sono inerti; non reagiranno con altri gas perché il loro guscio elettronico più esterno è già pieno.
La rottura dei legami tra gli atomi assorbe energia, mentre la formazione di nuovi legami rilascia energia. Se una combinazione di due atomi ha un'energia inferiore a quella dei singoli atomi, il composto formato da questi atomi è stabile. Possiamo usare la termodinamica per prevedere se si verificherà una tale reazione.
entropia
L'entropia è una misura del disordine. La seconda legge della termodinamica sostiene che l'entropia di un sistema chiuso non può mai diminuire. Se una reazione aumenta l'entropia totale del sistema e dei suoi dintorni, la reazione sarà spontanea. Le reazioni che non sono spontanee si verificano solo quando accoppiate con una reazione spontanea, o come risultato del lavoro su un sistema (cioè, consumando energia, che provoca un aumento dell'entropia netta). Di conseguenza, l'entropia totale dell'universo aumenta sempre.
Ad esempio, il tuo corpo alimenta reazioni che non sono spontanee (es. sintesi proteica) utilizzando reazioni che rilasciano energia e provocano un forte aumento dell'entropia totale (es. metabolismo del glucosio).
L'entropia totale è difficile da misurare, quindi i chimici prevedono se le reazioni saranno spontanee calcolando il Energia libera di Gibbs, che definiscono come il calore assorbito da una reazione a pressione costante, meno la temperatura, moltiplicato per la variazione di entropia del sistema. Un'energia libera di Gibbs negativa indica una reazione spontanea.
Equilibrio
Il fatto che una reazione sia spontanea non sempre significa che avvenga rapidamente. Le reazioni tra gli atomi di carbonio nel diamante sono spontanee, ma queste reazioni sono così lente che i diamanti durano molto a lungo.
Le reazioni possono anche raggiungere uno stato di equilibrio; quando due reazioni opposte si verificano con uguale velocità, non vi è aumento netto della quantità del prodotto o dei reagenti. Tutti questi fattori: la variazione di entropia causata da una reazione, la cinetica della reazione e la punto di equilibrio della reazione: sono importanti per determinare se si verificherà una reazione e cosa accadrà assomigliare.