תגובות כימיות מתרחשות כאשר שני חומרים יוצרים אינטראקציה ליצירת תרכובות או מולקולות חדשות. תהליכים אלה נמצאים בכל מקום באופיים וחיוניים לחיים; הגדרת העבודה של נאס"א לחיים, למשל, מתארת אותה כ"מערכת כימית המקיימת את עצמה מסוגלים להתפתחות דרווינית. "כמה גורמים קובעים מתי והאם תגובה כימית תהיה מתרחש.
התנגשויות
כאשר שתי מולקולות מתנגשות בכיוון הנכון ובכוח מספיק, עלולה להיווצר תגובה כימית. אולם לא כל ההתנגשויות גורמות לתגובות; האטומים או המולקולות חייבים להיות מסוגלים לשלב מחדש כדי ליצור תרכובות חדשות. אטומי הליום, למשל, אינרטים; הם לא יגיבו עם גזים אחרים כי מעטפת האלקטרונים החיצונית שלהם כבר מלאה.
שבירת קשרים בין אטומים תופסת אנרגיה, ואילו יצירת קשרים חדשים משחררת אנרגיה. אם לשילוב של שני אטומים יש אנרגיה נמוכה יותר מהאטומים הבודדים, התרכובת שהאטומים הללו יוצרים יציבה. אנו יכולים להשתמש בתרמודינמיקה כדי לחזות אם תגובה כזו תתרחש.
אנטרופיה
אנטרופיה היא מדד לאי סדר. החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי האנטרופיה של מערכת סגורה לעולם לא יכולה לרדת. אם תגובה מגדילה את האנטרופיה הכוללת של המערכת וסביבתה, התגובה תהיה ספונטנית. תגובות שאינן ספונטניות מתרחשות רק כאשר הן משולבות עם תגובה ספונטנית, או כתוצאה מעבודה על מערכת (כלומר על ידי הוצאת אנרגיה, הגורמת לעלייה באנטרופיה נטו). כתוצאה מכך האנטרופיה הכוללת של היקום עולה תמיד.
כדוגמה, גופך מניע תגובות שאינן ספונטניות (למשל, סינתזת חלבונים) באמצעות תגובות המשחררות אנרגיה וגורמות לעלייה גדולה באנטרופיה הכוללת (למשל, חילוף חומרים של גלוקוז).
קשה למדוד אנטרופיה מוחלטת, ולכן כימאים חוזים אם התגובות יהיו ספונטניות על ידי חישוב ה- גיבס אנרגיה חופשית, אותם הם מגדירים כחום הנספג על ידי תגובה בלחץ קבוע, פחות הטמפרטורה, הכפיל את השינוי באנטרופיה של המערכת. אנרגיה חופשית של גיבס שלילית מצביעה על תגובה ספונטנית.
שִׁוּוּי מִשׁקָל
העובדה שתגובה היא ספונטנית לא תמיד אומרת שהיא מתרחשת במהירות. התגובות בין אטומי הפחמן ביהלום הן ספונטניות, אך תגובות אלו כה איטיות עד שיהלומים נמשכים זמן רב מאוד.
התגובות יכולות להגיע גם למצב של שיווי משקל; כאשר שתי תגובות מנוגדות מתרחשות בקצב שווה, אין עלייה נטו בכמות המוצר או המגיבים. כל הגורמים הללו - השינוי באנטרופיה שנגרם כתוצאה מתגובה, קינטיקה של התגובה וה- נקודת שיווי המשקל של התגובה - חשובות בקביעת האם תגובה תתרחש ומה היא תתרחש נראה כמו.