As reações químicas ocorrem quando duas substâncias interagem para formar novos compostos ou moléculas. Esses processos são onipresentes por natureza e essenciais à vida; A definição de vida da NASA, por exemplo, descreve-a como um "sistema químico autossustentável capaz de evolução darwiniana. "Vários fatores determinam quando e se uma reação química ocorrer.
Colisões
Quando duas moléculas colidem com a orientação correta e força suficiente, pode ocorrer uma reação química. No entanto, nem todas as colisões causam reações; os átomos ou moléculas devem ser capazes de se recombinar para formar novos compostos. Os átomos de hélio, por exemplo, são inertes; eles não vão reagir com outros gases porque sua camada de elétrons mais externa já está cheia.
Romper ligações entre átomos consome energia, enquanto a formação de novas ligações libera energia. Se uma combinação de dois átomos tiver menos energia do que os átomos individuais, o composto que esses átomos formam é estável. Podemos usar a termodinâmica para prever se tal reação ocorrerá.
Entropia
Entropia é uma medida de desordem. A Segunda Lei da Termodinâmica afirma que a entropia de um sistema fechado nunca pode diminuir. Se uma reação aumenta a entropia total do sistema e seus arredores, a reação será espontânea. As reações que não são espontâneas ocorrem apenas quando acopladas a uma reação espontânea, ou como resultado do trabalho em um sistema (ou seja, gastando energia, o que causa um aumento na entropia líquida). Conseqüentemente, a entropia total do universo sempre aumenta.
Por exemplo, seu corpo alimenta reações que não são espontâneas (por exemplo, síntese de proteínas) usando reações que liberam energia e causam um grande aumento na entropia total (por exemplo, metabolismo da glicose).
A entropia total é difícil de medir, então os químicos prevêem se as reações serão espontâneas, calculando o Gibbs energia livre, que eles definem como o calor absorvido por uma reação a pressão constante, menos a temperatura, multiplicado pela mudança na entropia do sistema. Uma energia livre de Gibbs negativa indica uma reação espontânea.
Equilíbrio
O fato de uma reação ser espontânea nem sempre significa que ela aconteça rapidamente. As reações entre os átomos de carbono no diamante são espontâneas, mas essas reações são tão lentas que os diamantes duram muito tempo.
As reações também podem atingir um estado de equilíbrio; quando duas reações opostas ocorrem a uma taxa igual, não há aumento líquido na quantidade do produto ou dos reagentes. Todos esses fatores - a mudança na entropia causada por uma reação, a cinética da reação e a ponto de equilíbrio da reação - são importantes para determinar se uma reação ocorrerá e o que ocorrerá parece.