Химические реакции происходят, когда два вещества взаимодействуют с образованием новых соединений или молекул. Эти процессы вездесущи по своей природе и необходимы для жизни; Рабочее определение жизни НАСА, например, описывает ее как «самоподдерживающуюся химическую систему. способна к дарвиновской эволюции ». Несколько факторов определяют, когда и будет ли химическая реакция происходить.
Столкновения
Когда две молекулы сталкиваются с правильной ориентацией и достаточной силой, может произойти химическая реакция. Однако не все столкновения вызывают реакцию; атомы или молекулы должны иметь возможность рекомбинировать с образованием новых соединений. Например, атомы гелия инертны; они не будут реагировать с другими газами, потому что их внешняя электронная оболочка уже заполнена.
Разрыв связей между атомами требует энергии, а образование новых связей высвобождает энергию. Если комбинация двух атомов имеет более низкую энергию, чем отдельные атомы, соединение, которое образуют эти атомы, является стабильным. Мы можем использовать термодинамику, чтобы предсказать, произойдет ли такая реакция.
Энтропия
Энтропия - это мера беспорядка. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшиться. Если реакция увеличивает общую энтропию системы и ее окружения, реакция будет спонтанной. Реакции, которые не являются спонтанными, происходят только в сочетании со спонтанной реакцией или в результате выполнения работы в системе (т. Е. Расходования энергии, что вызывает увеличение чистой энтропии). Следовательно, полная энтропия Вселенной всегда увеличивается.
Например, ваше тело поддерживает реакции, которые не являются спонтанными (например, синтез белка), используя реакции, которые высвобождают энергию и вызывают большое увеличение общей энтропии (например, метаболизм глюкозы).
Общую энтропию трудно измерить, поэтому химики предсказывают, будут ли реакции самопроизвольными, вычисляя Свободная энергия Гиббса, которую они определяют как тепло, поглощаемое реакцией при постоянном давлении, за вычетом температуры, умноженное на изменение энтропии системы. Отрицательная свободная энергия Гиббса указывает на спонтанную реакцию.
Равновесие
Тот факт, что реакция является спонтанной, не всегда означает, что она происходит быстро. Реакции между атомами углерода в алмазе являются спонтанными, но эти реакции настолько медленны, что алмазы длятся очень долго.
Реакции также могут достигать состояния равновесия; когда две противоположные реакции протекают с одинаковой скоростью, нет чистого увеличения количества продукта или реагентов. Все эти факторы - изменение энтропии, вызванное реакцией, кинетика реакции и точка равновесия реакции - важны для определения того, будет ли реакция происходить и какова она будет выглядит как.