Kemiska reaktioner uppstår när två ämnen samverkar för att bilda nya föreningar eller molekyler. Dessa processer är allmänt förekommande och väsentliga för livet. NASAs arbetsdefinition av livet beskriver till exempel det som ett "självhäftande kemiskt system som kan darwinistisk utveckling". Flera faktorer avgör när och om en kemisk reaktion kommer att uppstå.

Kollisioner

När två molekyler kolliderar med rätt orientering och tillräcklig kraft kan en kemisk reaktion uppstå. Inte alla kollisioner orsakar reaktioner. Atomerna eller molekylerna måste kunna rekombineras för att bilda nya föreningar. Heliumatomer, till exempel, är inerta; De kommer inte att reagera med andra gaser eftersom deras yttersta elektronskal redan är full.

Att bryta bindningar mellan atomer tar upp energi medan nya obligationer släpper ut energi. Om en kombination av två atomer har lägre energi än de enskilda atomerna, är föreningen dessa atomer stabil. Vi kan använda termodynamik för att förutsäga om en sådan reaktion kommer att inträffa.

Entropi

Entropi är ett mått på störning. Termodynamikens andra lag hävdar att entropin i ett slutet system aldrig kan minska. Om en reaktion ökar systemets totala entropi och dess omgivning, kommer reaktionen att vara spontan. Reaktioner som inte är spontana uppträder endast när de kombineras med en spontan reaktion eller som ett resultat av att arbeta på ett system (dvs genom att utöva energi, vilket medför en ökning av net entropi). Följaktligen ökar universums totala entropi alltid.

Som exempel får din kropp reaktioner som inte är spontana (t.ex. proteinsyntes) med hjälp av reaktioner som släpper ut energi och orsakar en stor ökning av total entropi (t.ex. , glukosmetabolism).

Total entropi är svår att mäta, så kemister förutspår huruvida reaktionerna kommer att vara spontana genom att beräkna Gibbs fria energi, som de definierar som värmen absorberad av en reaktion vid konstant tryck, minus temperaturen multiplicerade förändringen i entropi av systemet. En negativ Gibbs fri energi indikerar en spontan reaktion.

Equilibrium

Att en reaktion är spontan betyder inte alltid att det händer snabbt. Reaktionerna mellan kolatomerna i diamant är spontana, men dessa reaktioner är så långsamma att diamanterna håller mycket lång tid.

Reaktioner kan också nå en jämviktsläge; när två motsatta reaktioner uppträder med samma hastighet, är det ingen nettoökning i mängden av produkten eller reaktanterna. Alla dessa faktorer - förändringen i entropi orsakad av en reaktion, reaktionens kinetik och jämviktspunkten för reaktionen är viktiga för att avgöra om en reaktion kommer att inträffa och hur det kommer att se ut.