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Las reacciones químicas ocurren cuando dos sustancias interactúan para formar nuevos compuestos o moléculas. Estos procesos son ubicuos en la naturaleza y esenciales para la vida; La definición funcional de la vida de la NASA, por ejemplo, la describe como un "sistema químico autosuficiente capaz de la evolución darwiniana". Varios factores determinan cuándo y si ocurrirá una reacción química.
Colisiones
Cuando dos moléculas chocan con la orientación correcta y la fuerza suficiente, puede producirse una reacción química. Sin embargo, no todas las colisiones causan reacciones; los átomos o moléculas deben poder recombinarse para formar nuevos compuestos. Los átomos de helio, por ejemplo, son inertes; no reaccionarán con otros gases porque su capa de electrones más externa ya está llena.
Romper los enlaces entre los átomos absorbe energía, mientras que formar nuevos enlaces libera energía. Si una combinación de dos átomos tiene menos energía que los átomos individuales, el compuesto que forman estos átomos es estable. Podemos usar la termodinámica para predecir si ocurrirá tal reacción.
Entropía
La entropía es una medida del desorden. La segunda ley de la termodinámica sostiene que la entropía de un sistema cerrado nunca puede disminuir. Si una reacción aumenta la entropía total del sistema y sus alrededores, la reacción será espontánea. Las reacciones que no son espontáneas solo ocurren cuando se combinan con una reacción espontánea, o como resultado de trabajar en un sistema (es decir, gastando energía, lo que provoca un aumento de la entropía neta). En consecuencia, la entropía total del universo siempre aumenta.
Como ejemplo, su cuerpo potencia reacciones que no son espontáneas (por ejemplo, síntesis de proteínas) usando reacciones que liberan energía y causan un gran aumento en la entropía total (por ejemplo, metabolismo de la glucosa).
La entropía total es difícil de medir, por lo que los químicos predicen si las reacciones serán espontáneas calculando la energía libre de Gibbs, que definen como el calor absorbido por una reacción a presión constante, menos la temperatura, multiplicando el cambio en la entropía del sistema. Una energía libre negativa de Gibbs indica una reacción espontánea.
Equilibrio
El hecho de que una reacción sea espontánea no siempre significa que suceda rápidamente. Las reacciones entre los átomos de carbono en el diamante son espontáneas, pero estas reacciones son tan lentas que los diamantes duran mucho tiempo.
Las reacciones también pueden alcanzar un estado de equilibrio; cuando ocurren dos reacciones opuestas a una velocidad igual, no hay un aumento neto en la cantidad del producto o los reactivos. Todos estos factores (el cambio en la entropía causado por una reacción, la cinética de la reacción y el punto de equilibrio de la reacción) son importantes para determinar si se producirá una reacción y cómo se verá.