Av John Brennan
Uppdaterad 30 augusti 2022
Kemiska reaktioner uppstår när två eller flera ämnen kolliderar och omarrangeras för att bilda nya föreningar. Dessa processer är inte bara allestädes närvarande i naturen utan stöder också varje levande system – NASA definierar till och med livet som ett självförsörjande kemiskt system som kan darwinistisk evolution. För att förstå de krafter som styr om en reaktion kommer att inträffa – och hur snabbt – krävs en titt på tre kärnbegrepp:kollisioner, entropi och jämvikt.
För att en kemisk omvandling ska börja måste molekyler mötas med rätt orientering och tillräckligt med kinetisk energi för att bryta befintliga bindningar. Inte varje möte leder till en reaktion; reaktanterna måste kunna rekombineras till mer stabila produkter. Till exempel är heliumatomer kemiskt inerta eftersom deras yttre elektronskal är komplett, så de bildar sällan nya bindningar med andra gaser. Däremot, när atomer har oparade elektroner eller ofullständiga skal, kan de dela eller överföra elektroner, vilket tillåter bindningar att bildas och frigör energi.
Termodynamik låter oss förutsäga om en reaktion kommer att vara gynnsam:om den totala energin för den nya föreningen är lägre än den för de enskilda reaktanterna, är den resulterande molekylen stabil och reaktionen är energiskt nedförsbacke.
Entropi mäter graden av slumpmässighet eller oordning i ett system. Termodynamikens andra lag säger att entropin i ett slutet system aldrig kan minska. En reaktion som ökar den kombinerade entropin i systemet och dess omgivning är spontan. När en reaktion inte är spontan – som biosyntesen av proteiner – kopplar organismer den till en energigenererande process som glukosmetabolism, som frigör en stor mängd entropi och driver den övergripande processen framåt.
Eftersom total entropi är svår att kvantifiera direkt, använder kemister Gibbs fria energi (ΔG) för att bedöma spontanitet. Formeln ΔG =ΔH – TAS jämför entalpiändringen (ΔH) med temperaturen (T) gånger entropiändringen (ΔS). Ett negativt ΔG indikerar att en reaktion kan ske spontant under de givna förhållandena.
Även en spontan reaktion kan vara långsam; omvandlingen av kolatomer i diamant, till exempel, är kemiskt gynnsam men går ändå över geologiska tidsskalor. Dessutom når många reaktioner en dynamisk jämvikt där framåt- och bakåthastigheterna balanserar, vilket inte lämnar någon nettoförändring i koncentrationer av reaktanter eller produkter. Huruvida en reaktion fortskrider till fullbordan, stannar eller reverserar beror på kinetiska barriärer, termodynamisk gynnsamhet och de specifika förhållanden som finns.
Genom att undersöka kollisioner, entropi och jämvikt tillsammans kan forskare förutsäga inte bara om en reaktion kommer att inträffa, utan också hur snabbt den kommer att inträffa och under vilka omständigheter den kommer att producera en viss produkt.
