תוֹכֶן
תגובות כימיות מתרחשות כאשר שני חומרים מקיימים אינטראקציה ליצירת תרכובות או מולקולות חדשות. תהליכים אלה נמצאים בכל מקום באופיים וחיוניים לחיים; ההגדרה העובדת של נאס"א, למשל, מתארת אותם כ"מערכת כימית שמקיימת את עצמה ומסוגלת להתפתחות דרוויניסטית. " מספר גורמים קובעים מתי והאם תתרחש תגובה כימית.
התנגשויות
כאשר שתי מולקולות מתנגשות בכיוון הנכון ובכוח מספיק, עלולה להיווצר תגובה כימית. אולם לא כל ההתנגשויות גורמות לתגובות; על האטומים או המולקולות להיות מסוגלות להרכיב מחדש ליצירת תרכובות חדשות. אטומי הליום, למשל, הם אינרטיים; הם לא יגיבו עם גזים אחרים מכיוון שקליפת האלקטרונים החיצונית שלהם כבר מלאה.
פריצת קשרים בין אטומים תופסת אנרגיה, ואילו יצירת קשרים חדשים משחררת אנרגיה. אם לשילוב של שני אטומים אנרגיה נמוכה יותר מהאטומים הבודדים, התרכובת שנוצרת האטומים הללו יציבה. אנו יכולים להשתמש בתרמודינמיקה כדי לחזות אם תגובה כזו תתרחש.
אנטרופיה
אנטרופיה היא מדד להפרעה. החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי האנטרופיה של מערכת סגורה לעולם אינה יכולה להקטין. אם תגובה מגבירה את האנטרופיה הכוללת של המערכת וסביבתה, התגובה תהיה ספונטנית. תגובות שאינן ספונטניות מתרחשות רק כאשר מצמידים אותה לתגובה ספונטנית, או כתוצאה מביצוע עבודה במערכת (כלומר על ידי הוצאת אנרגיה, הגורמת לעלייה באנטרופיה נטו). כתוצאה מכך האנטרופיה הכוללת של היקום תמיד גדלה.
כדוגמה, גופך מכריח תגובות שאינן ספונטניות (למשל, סינתזת חלבון) באמצעות תגובות שמשחררות אנרגיה וגורמות לעלייה גדולה באנטרופיה מוחלטת (למשל, מטבוליזם של גלוקוז).
קשה למדוד את האנטרופיה הטוטאלית, ולכן כימאים מנבאים אם התגובות יהיו ספונטניות על ידי חישוב האנרגיה החופשית של גיבס, אותם הם מגדירים כחום שנספג על ידי תגובה בלחץ קבוע, מינוס הטמפרטורה, הכפיל את השינוי באנטרופיה של המערכת. אנרגיה שלילית חופשית של ג'יבס מצביעה על תגובה ספונטנית.
שיווי משקל
העובדה שתגובה היא ספונטנית לא תמיד אומרת שזה קורה במהירות. התגובות בין אטומי הפחמן ביהלום הן ספונטניות, אך התגובות הללו כל כך איטיות עד שיהלומים נמשכים זמן רב מאוד.
התגובות יכולות להגיע גם למצב של שיווי משקל; כאשר שתי תגובות הפוכות מתרחשות בשיעור שווה, אין עלייה נטו בכמות המוצר או המגיבים. כל הגורמים הללו - השינוי באנטרופיה הנגרמת כתוצאה מתגובה, הקינטיקה של התגובה ונקודת שיווי המשקל של התגובה - חשובים בקביעת האם תתרחש תגובה ואיך היא תיראה.