Innehåll
Kemiska reaktioner inträffar när två ämnen samverkar och bildar nya föreningar eller molekyler. Dessa processer är allestädes närvarande och är väsentliga för livet; NASA: s arbetsdefinition av livet beskriver till exempel det som ett "självbärande kemiskt system som kan Darwinian evolution." Flera faktorer avgör när och om en kemisk reaktion kommer att inträffa.
kollisioner
När två molekyler kolliderar med rätt orientering och tillräcklig kraft kan en kemisk reaktion resultera. Men inte alla kollisioner orsakar reaktioner; atomerna eller molekylerna måste kunna rekombinera för att bilda nya föreningar. Heliumatomer är till exempel inerta; de kommer inte att reagera med andra gaser eftersom deras yttersta elektronskal redan är fullt.
Att bryta bindningar mellan atomer tar energi, medan bildning av nya bindningar frigör energi. Om en kombination av två atomer har lägre energi än de enskilda atomerna är föreningen dessa atomer bildar stabil. Vi kan använda termodynamik för att förutsäga om en sådan reaktion kommer att inträffa.
Entropi
Entropi är ett mått på störning. Den andra termodynamiklagen säger att entropin för ett slutet system aldrig kan minska. Om en reaktion ökar den totala entropin för systemet och dess omgivningar, kommer reaktionen att vara spontan. Reaktioner som inte är spontana inträffar endast när de är kopplade till en spontan reaktion, eller som ett resultat av att arbeta på ett system (dvs genom att spendera energi, vilket orsakar en ökning av nettoentropin). Följaktligen ökar universumets totala entropi alltid.
Som exempel driver din kropp reaktioner som inte är spontana (t.ex. proteinsyntes) med hjälp av reaktioner som frigör energi och orsakar en stor ökning av total entropi (t.ex. glukosmetabolism).
Total entropi är svårt att mäta, så kemisterna förutsäger om reaktionerna kommer att vara spontana genom att beräkna Gibbs fria energi, vilket de definierar som värmen som absorberas av en reaktion vid konstant tryck minus temperaturen, multiplicerade förändringen i systemets entropi. En negativ Gibbs fri energi indikerar en spontan reaktion.
Jämvikt
Det faktum att en reaktion är spontan betyder inte alltid att den sker snabbt. Reaktionerna mellan kolatomerna i diamant är spontana, men dessa reaktioner är så långsamma att diamanter varar mycket länge.
Reaktioner kan också nå ett tillstånd av jämvikt; när två motsatta reaktioner inträffar i samma takt, sker ingen nettotillväxt i mängden av produkten eller reaktanterna. Alla dessa faktorer - förändringen i entropi orsakad av en reaktion, reaktionens kinetik och reaktionens jämviktspunkt - är viktiga för att avgöra om en reaktion kommer att inträffa och hur den kommer att se ut.