Содержание
Химические реакции происходят, когда два вещества взаимодействуют с образованием новых соединений или молекул. Эти процессы повсеместны по своей природе и необходимы для жизни; Например, НАСА, работающее с определением жизни, описывает его как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную эволюции Дарвина». Несколько факторов определяют, когда и будет ли происходить химическая реакция.
Столкновения
Когда две молекулы сталкиваются с правильной ориентацией и достаточной силой, может возникнуть химическая реакция. Однако не все столкновения вызывают реакцию; атомы или молекулы должны быть в состоянии рекомбинировать с образованием новых соединений. Атомы гелия, например, инертны; они не будут реагировать с другими газами, потому что их внешняя электронная оболочка уже заполнена.
Разрыв связей между атомами отнимает энергию, а образование новых связей высвобождает энергию. Если комбинация двух атомов имеет более низкую энергию, чем отдельные атомы, соединение, которое образуют эти атомы, является стабильным. Мы можем использовать термодинамику, чтобы предсказать, произойдет ли такая реакция.
Энтропия
Энтропия - это мера беспорядка. Второй закон термодинамики гласит, что энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшаться. Если реакция увеличивает общую энтропию системы и ее окружения, реакция будет спонтанной. Реакции, которые не являются спонтанными, происходят только в сочетании со спонтанной реакцией или в результате выполнения работы над системой (т. Е. Путем расходования энергии, что вызывает увеличение чистой энтропии). Следовательно, общая энтропия вселенной всегда увеличивается.
Например, ваше тело приводит в действие реакции, которые не являются спонтанными (например, синтез белка), используя реакции, которые выделяют энергию и вызывают значительное увеличение общей энтропии (например, метаболизм глюкозы).
Суммарную энтропию трудно измерить, поэтому химики предсказывают, будут ли реакции спонтанными, вычисляя свободную энергию Гиббса, которую они определяют как тепло, поглощаемое реакцией при постоянном давлении, минус температура, умноженная на изменение энтропии системы. Отрицательная свободная энергия Гиббса указывает на спонтанную реакцию.
равновесный
Тот факт, что реакция является спонтанной, не всегда означает, что она происходит быстро. Реакции между атомами углерода в алмазе являются спонтанными, но эти реакции настолько медленные, что алмазы длятся очень долго.
Реакции также могут достигать состояния равновесия; когда две противоположные реакции происходят с одинаковой скоростью, нет чистого увеличения количества продукта или реагентов. Все эти факторы - изменение энтропии, вызванное реакцией, кинетика реакции и точка равновесия реакции, - важны для определения того, будет ли происходить реакция и как она будет выглядеть.