تحدث التفاعلات الكيميائية عندما تتفاعل مادتان لتكوين مركبات أو جزيئات جديدة. هذه العمليات موجودة في كل مكان في الطبيعة وضرورية للحياة ؛ تعريف ناسا العملي للحياة ، على سبيل المثال ، يصفها بأنها "نظام كيميائي ذاتي الاستدامة قادر على التطور الدارويني." تحدد عدة عوامل متى وما إذا كان سيحدث تفاعل كيميائي.
الاصطدامات
عندما يصطدم جزيئين بالاتجاه الصحيح والقوة الكافية ، قد ينتج عن ذلك تفاعل كيميائي. ومع ذلك ، لا تسبب كل الاصطدامات ردود فعل ؛ يجب أن تكون الذرات أو الجزيئات قادرة على إعادة الاتحاد لتشكيل مركبات جديدة. ذرات الهيليوم ، على سبيل المثال ، خاملة ؛ لن تتفاعل مع الغازات الأخرى لأن غلافها الإلكتروني الخارجي ممتلئ بالفعل.
يستهلك كسر الروابط بين الذرات الطاقة ، بينما يؤدي تكوين روابط جديدة إلى إطلاق الطاقة. إذا كان مزيج من ذرتين يحتوي على طاقة أقل من الذرات الفردية ، فإن المركب الذي تشكله هذه الذرات يكون مستقرًا. يمكننا استخدام الديناميكا الحرارية للتنبؤ بما إذا كان مثل هذا التفاعل سيحدث.
الانتروبيا أو القصور الحراري
الانتروبيا مقياس للاضطراب. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن إنتروبيا نظام مغلق لا يمكن أن تنخفض أبدًا. إذا زاد التفاعل من الإنتروبيا الكلية للنظام ومحيطه ، فسيكون التفاعل تلقائيًا. تحدث التفاعلات غير العفوية فقط عندما تقترن بتفاعل عفوي ، أو نتيجة للعمل على نظام (أي عن طريق إنفاق الطاقة ، مما يؤدي إلى زيادة في صافي الانتروبيا). وبالتالي ، فإن الانتروبيا الكلية للكون تزداد دائمًا.
على سبيل المثال ، يقوم جسمك بتشغيل تفاعلات غير عفوية (على سبيل المثال ، تخليق البروتين) باستخدام التفاعلات التي تطلق الطاقة وتسبب زيادة كبيرة في الانتروبيا الكلية (على سبيل المثال ، استقلاب الجلوكوز).
يصعب قياس الانتروبيا الكلية ، لذلك يتوقع الكيميائيون ما إذا كانت التفاعلات ستكون عفوية عن طريق حساب طاقة جيبس الحرة ، والتي يعرّفونها على أنها الحرارة الممتصة بواسطة تفاعل عند ضغط ثابت ، مطروحًا منه درجة الحرارة ، ضاعف التغيير في إنتروبيا النظام. تشير طاقة جيبس الحرة السلبية إلى تفاعل عفوي.
حالة توازن
حقيقة أن رد الفعل عفوي لا يعني دائمًا أنه يحدث بسرعة. تكون التفاعلات بين ذرات الكربون في الماس عفوية ، ولكن هذه التفاعلات بطيئة جدًا لدرجة أن الماس يستمر لفترة طويلة جدًا.
يمكن أن تصل التفاعلات أيضًا إلى حالة من التوازن ؛ عندما يحدث تفاعلان متعاكسان بمعدل متساوٍ ، لا توجد زيادة صافية في كمية المنتج أو المواد المتفاعلة. كل هذه العوامل - التغيير في الانتروبيا الناجم عن التفاعل ، وحركية التفاعل ، ونقطة توازن التفاعل - مهمة في تحديد ما إذا كان التفاعل سيحدث وكيف سيبدو.