Reazioni chimiche si verificano quando due sostanze interagiscono per formare nuovi composti o molecole. Questi processi sono onnipresenti in natura ed essenziale alla vita; Definizione operativa della NASA della vita, ad esempio, lo descrive come un "self-sustaining sistema chimico capace di evoluzione darwiniana." Diversi fattori determinano se e quando si verifica una reazione chimica.
Collisioni
Quando due molecole si scontrano con il giusto orientamento e una forza sufficiente, potrebbe causare una reazione chimica. Non tutte le collisioni causano reazioni, tuttavia; gli atomi o le molecole devono essere in grado di ricombinare per formare nuovi composti. Gli atomi di elio, per esempio, sono inerti; non reagiranno con altri gas, perché le loro coperture dell'elettrone più esterno è già pieno.
Rottura di legami tra gli atomi prende energia, mentre formando nuove obbligazioni rilascia energia. Se una combinazione di due atomi ha energia più bassa che i singoli atomi, il composto forma di questi atomi è stabile. Possiamo usare termodinamica per predire se una tale reazione si verifica.
Entropia
L'entropia è una misura del disordine. La seconda legge della termodinamica tiene che l'entropia di un sistema chiuso può non diminuire mai. Se una reazione aumenta l'entropia totale del sistema e suoi dintorni, è possibile che la reazione sarà spontanea. Reazioni che non sono spontanee si verificano solo quando accoppiato con una reazione spontanea, o come risultato di fare il lavoro su un sistema (cioè, di spendere energia, che causa un aumento di entropia netto). Di conseguenza, l'entropia totale dell'universo aumenta sempre.
Ad esempio, il vostro corpo alimenta reazioni che non sono spontanee (ad esempio, la sintesi proteica) usando le reazioni che liberano energia e causano un grande aumento di entropia totale (ad esempio, il metabolismo del glucosio).
Entropia totale è difficile da misurare, quindi chimici prevedono se reazioni sarà spontanee calcolando l'energia libera di Gibbs, che definiscono come il calore assorbito da una reazione a pressione costante, meno la temperatura, moltiplicato per la variazione di entropia del sistema. Un'energia libera di Gibbs negativa indica una reazione spontanea.
Equilibrio
Il fatto che una reazione è spontanea non significa sempre che accade rapidamente. Le reazioni tra gli atomi di carbonio in diamante sono spontanee, ma queste reazioni sono così lente che diamanti durano un tempo molto lungo.
Le reazioni possono anche raggiungere uno stato di equilibrio; in caso di due reazioni opposte ad un tasso uguale, non c'è nessun aumento netto nella quantità di prodotto o reagenti. Tutti questi fattori---la variazione di entropia causata da una reazione, la cinetica della reazione e l'equilibrio punto della reazione---sono importanti per determinare se si verifica una reazione e che cosa assomiglierà.