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 di vita della NASA, ad esempio, la descrive come un "sistema chimico autosufficiente capace di evoluzione darwiniana". Diversi fattori determinano quando e se si verificherà una reazione chimica.

Collisioni

Quando due molecole si scontrano con il giusto orientamento e 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, ad 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 prende energia, mentre la formazione di nuovi legami libera energia. Se una combinazione di due atomi ha energia inferiore rispetto ai singoli atomi, il composto che questi atomi formano 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. Reazioni che non sono spontanee si verificano solo quando sono accoppiate con una reazione spontanea, o come risultato del lavoro su un sistema (cioè, con la spesa di energia, che provoca un aumento di 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) usando reazioni che rilasciano energia e causano un grande aumento dell'entropia totale (es. , metabolismo del glucosio).

L'entropia totale è difficile da misurare, quindi i chimici predicono se le reazioni saranno spontanee calcolando l'energia libera di Gibbs, che definiscono come il calore assorbito da una reazione a pressione costante, meno la temperatura , moltiplicato il cambiamento di entropia del sistema. Un'energia negativa di Gibbs indica una reazione spontanea.

Equilibrium

Il fatto che una reazione sia spontanea non significa sempre che avvenga rapidamente. Le reazioni tra gli atomi di carbonio nel diamante sono spontanee, ma queste reazioni sono così lente che i diamanti durano a lungo.

Le reazioni possono anche raggiungere uno stato di equilibrio; quando due reazioni opposte si verificano ad una velocità uguale, non vi è un aumento netto della quantità del prodotto o dei reagenti. Tutti questi fattori - il cambiamento nell'entropia causata da una reazione, la cinetica della reazione e il punto di equilibrio della reazione - sono importanti per determinare se si verificherà una reazione e come apparirà.