Par John Brennan
Mis à jour le 30 août 2022
Les réactions chimiques se produisent lorsque deux ou plusieurs substances entrent en collision et se réorganisent pour former de nouveaux composés. Ces processus sont non seulement omniprésents dans la nature, mais ils sous-tendent également tout système vivant – la NASA définit même la vie comme un système chimique autonome capable d’une évolution darwinienne. Comprendre les forces qui déterminent si une réaction se produira (et à quelle vitesse) nécessite un examen de trois concepts fondamentaux :les collisions, l'entropie et l'équilibre.
Pour qu’une transformation chimique commence, les molécules doivent avoir la bonne orientation et suffisamment d’énergie cinétique pour rompre les liaisons existantes. Toutes les rencontres n’entraînent pas une réaction; les réactifs doivent pouvoir se recombiner en produits plus stables. Par exemple, les atomes d’hélium sont chimiquement inertes car leur couche électronique externe est complète, ils forment donc rarement de nouvelles liaisons avec d’autres gaz. En revanche, lorsque les atomes possèdent des électrons non appariés ou des coquilles incomplètes, ils peuvent partager ou transférer des électrons, permettant ainsi la formation de liaisons et libérant de l'énergie.
La thermodynamique nous permet de prédire si une réaction sera favorable :si l'énergie totale du nouveau composé est inférieure à celle des réactifs individuels, la molécule résultante est stable et la réaction est énergétiquement descendante.
L'entropie mesure le degré de caractère aléatoire ou de désordre dans un système. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l’entropie d’un système fermé ne peut jamais diminuer. Une réaction qui augmente l’entropie combinée du système et de son environnement est spontanée. Lorsqu'une réaction n'est pas spontanée, comme la biosynthèse des protéines, les organismes la couplent à un processus générateur d'énergie comme le métabolisme du glucose, qui libère une grande quantité d'entropie et fait avancer le processus global.
L’entropie totale étant difficile à quantifier directement, les chimistes utilisent l’énergie libre de Gibbs (ΔG) pour évaluer la spontanéité. La formule ΔG =ΔH – TΔS compare le changement d'enthalpie (ΔH) à la température (T) multiplié par le changement d'entropie (ΔS). Un ΔG négatif indique qu'une réaction peut se produire spontanément dans les conditions données.
Même une réaction spontanée peut être lente; la conversion des atomes de carbone en diamant, par exemple, est chimiquement favorable mais se déroule sur des échelles de temps géologiques. De plus, de nombreuses réactions atteignent un équilibre dynamique où les taux direct et inverse s'équilibrent, ne laissant aucun changement net dans les concentrations de réactifs ou de produits. Le fait qu'une réaction se termine, s'arrête ou s'inverse dépend des barrières cinétiques, de la favorabilité thermodynamique et des conditions spécifiques présentes.
En examinant ensemble les collisions, l'entropie et l'équilibre, les scientifiques peuvent prédire non seulement si une réaction se produira, mais également à quelle vitesse elle se produira et dans quelles circonstances elle produira un produit particulier.