Sisältö
Kemialliset reaktiot tapahtuvat, kun kaksi ainetta on vuorovaikutuksessa muodostaen uusia yhdisteitä tai molekyylejä. Nämä prosessit ovat luonteeltaan kaikkialla ja välttämättömiä elämälle; Esimerkiksi NASA: n toimiva elämänmäärittely kuvaa sitä "itse ylläpitäväksi kemialliseksi järjestelmäksi, joka kykenee Darwinian evoluutioon". Useat tekijät määräävät, milloin ja tapahtuuko kemiallinen reaktio.
törmäykset
Kun kaksi molekyyliä törmäävät oikeaan suuntaan ja riittävään voimaan, seurauksena voi olla kemiallinen reaktio. Kaikki törmäykset eivät kuitenkaan aiheuta reaktioita; atomien tai molekyylien on kyettävä rekombinoitumaan uusien yhdisteiden muodostamiseksi. Esimerkiksi heliumiatomit ovat inerttejä; ne eivät reagoi muiden kaasujen kanssa, koska niiden uloin elektronikuori on jo täynnä.
Atomien välisten sidosten katkeaminen vie energiaa, kun taas uusien sidosten muodostuminen vapauttaa energiaa. Jos kahden atomin yhdistelmällä on alhaisempi energia kuin yksittäisillä atomilla, näiden atomien muodostama yhdiste on stabiili. Voimme käyttää termodynamiikkaa ennustamaan tapahtuuko tällainen reaktio.
Haje
Entropia on häiriön mitta. Termodynamiikan toisen lain mukaan suljetun järjestelmän entropia ei voi koskaan laskea. Jos reaktio lisää järjestelmän ja sen ympäristön kokonais entropiaa, reaktio on spontaani. Reaktiot, jotka eivät ole spontaaneja, tapahtuvat vain, kun niihin liittyy spontaani reaktio, tai järjestelmän työskentelyn seurauksena (ts. Kuluttamalla energiaa, mikä aiheuttaa netto entropian kasvun). Näin ollen maailmankaikkeuden kokonais entropia kasvaa aina.
Esimerkiksi kehosi voimistaa reaktiot, jotka eivät ole spontaaneja (esim. Proteiinisynteesi) käyttämällä reaktioita, jotka vapauttavat energiaa ja aiheuttavat suuren kokonaisentropian (esim. Glukoosimetabolian) suurenemisen.
Kokonais entropiaa on vaikea mitata, joten kemit ennustavat ovatko reaktiot spontaaneja laskemalla Gibbsin vapaa energia, jonka he määrittelevät reaktion absorboimaksi lämpöksi, joka tapahtuu vakiopaineessa miinus lämpötila, ja kertoi järjestelmän entropian muutoksen. Gibbs-negatiivinen vapaa energia ilmaisee spontaanin reaktion.
tasapaino
Se, että reaktio on spontaania, ei tarkoita aina, että se tapahtuu nopeasti. Timantin hiiliatomien väliset reaktiot ovat spontaaneja, mutta nämä reaktiot ovat niin hitaita, että timantit kestävät erittäin kauan.
Reaktiot voivat saavuttaa myös tasapainotilan; kun kaksi vastakkaista reaktiota tapahtuu samalla nopeudella, tuotteen tai reagenssien määrä ei kasva nettomääräisesti. Kaikki nämä tekijät - reaktion aiheuttama entropian muutos, reaktion kinetiikka ja reaktion tasapainopiste - ovat tärkeitä määritettäessä, tapahtuuko reaktio ja miltä se näyttää.