Door John Brennan
Bijgewerkt op 30 augustus 2022

Chemische reacties ontstaan wanneer twee of meer stoffen botsen en zich herschikken om nieuwe verbindingen te vormen. Deze processen zijn niet alleen alomtegenwoordig in de natuur, maar liggen ook ten grondslag aan elk levend systeem; NASA definieert het leven zelfs als een zichzelf in stand houdend chemisch systeem dat in staat is tot darwinistische evolutie. Om de krachten te begrijpen die bepalen of een reactie zal plaatsvinden (en hoe snel) moet je kijken naar drie kernconcepten:botsingen, entropie en evenwicht.

Botsingen:de eerste stap naar verandering

Om een chemische transformatie te laten beginnen, moeten moleculen de juiste oriëntatie en voldoende kinetische energie hebben om bestaande bindingen te verbreken. Niet elke ontmoeting leidt tot een reactie; de reactanten moeten kunnen recombineren tot stabielere producten. Heliumatomen zijn bijvoorbeeld chemisch inert omdat hun buitenste elektronenschil compleet is, zodat ze zelden nieuwe bindingen vormen met andere gassen. Wanneer atomen daarentegen ongepaarde elektronen of onvolledige schillen bezitten, kunnen ze elektronen delen of overdragen, waardoor bindingen kunnen worden gevormd en energie vrijkomt.

Dankzij de thermodynamica kunnen we voorspellen of een reactie gunstig zal zijn:als de totale energie van de nieuwe verbinding lager is dan die van de individuele reactanten, is het resulterende molecuul stabiel en gaat de reactie energetisch bergafwaarts.

Entropie:de drang naar wanorde

Entropie meet de mate van willekeur of wanorde in een systeem. De Tweede Wet van de Thermodynamica stelt dat de entropie van een gesloten systeem nooit kan afnemen. Een reactie die de gecombineerde entropie van het systeem en zijn omgeving vergroot, is spontaan. Wanneer een reactie niet spontaan is – zoals de biosynthese van eiwitten – koppelen organismen deze aan een energiegenererend proces zoals het glucosemetabolisme, waarbij een grote hoeveelheid entropie vrijkomt en het totale proces vooruit wordt gedreven.

Omdat de totale entropie moeilijk rechtstreeks te kwantificeren is, gebruiken scheikundigen de vrije energie van Gibbs (AG) om de spontaniteit te beoordelen. De formule ΔG =ΔH – TΔS vergelijkt de enthalpieverandering (ΔH) met de temperatuur (T) maal de entropieverandering (ΔS). Een negatieve ΔG geeft aan dat een reactie onder de gegeven omstandigheden spontaan kan optreden.

Evenwicht:wanneer voorwaarts en achterwaarts elkaar ontmoeten

Zelfs een spontane reactie kan traag zijn; de omzetting van koolstofatomen in diamant is bijvoorbeeld chemisch gunstig, maar verloopt over geologische tijdschalen. Bovendien bereiken veel reacties een dynamisch evenwicht waarbij de voorwaartse en achterwaartse snelheden in evenwicht zijn, waardoor er geen netto verandering in de concentraties van reactanten of producten overblijft. Of een reactie volledig verloopt, vastloopt of omkeert, hangt af van kinetische barrières, thermodynamische voorkeur en de specifieke omstandigheden die aanwezig zijn.

Door botsingen, entropie en evenwicht samen te onderzoeken, kunnen wetenschappers niet alleen voorspellen of een reactie zal plaatsvinden, maar ook hoe snel deze zal plaatsvinden en onder welke omstandigheden deze een bepaald product zal opleveren.

Referenties

• Peter Atkins &Loretta Jones, Chemische principes, de zoektocht naar inzicht (4e editie), 2008.