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化学方法论-1
Release Time：2020-03-22化学在很大程度上是一门累积的科学。 随着时间的流逝，观察到的现象和现象的数量和范围在增加。 但是，并非所有的假设和发现都能经受住挑战。 随着新的观察结果或更令人满意的解释的出现，其中一些被丢弃。 尽管如此，化学对于已经长期存在并随着时间扩展的化学现象具有广泛的解释模型。 这些现在具有理论地位，是与观察到的现象紧密相关的解释性设备的互连集合。 随着新发现的出现，只要有可能，它们就会被并入现有理论中。 但是，正如1986年高温超导体的发现所说明的那样，公认的理论永远不足以预测未来的发现过程。 偶然性或机会发现将在未来继续发挥与理论上的先进性同样的作用。
分子结构研究
物质的化学性质是其结构的函数，现在X射线晶体学技术使化学家能够确定复杂分子的精确原子排列。 分子是原子的有序集合。 分子中的每个原子通过化学键与一个或多个相邻原子连接。 键的长度和相邻键之间的角度对于描述分子结构都很重要，全面的化学键理论是现代化学的主要成就之一。 键合理论的基础是原子分子概念。
原子和元素
就一般化学而言，原子由三个基本粒子组成：质子，中子和电子。尽管质子和中子本身由较小的单元组成，但其子结构对化学转化的影响很小。如前面部分所述，质子带有+1的电荷，原子核中的质子数将一种化学原子与另一种化学原子区分开。所有最简单的原子，氢，具有由单个质子组成的核。中子的质量几乎与质子相同，但是没有电荷。中子在氢以外的所有原子的原子核中都带有质子。原子核中有一个质子和一个中子的原子称为氘。因为氘只有一个质子，所以氘的化学性质与氢相同，但质量不同。氢和氘是称为同位素的相关原子的例子。第三原子粒子电子具有-1的电荷，但其质量比质子小1,836倍。电子占据了被称为轨道的原子核以外的空间区域。一些轨道是球形的，原子核在中心。因为电子的质量很小，并且以接近光速一半的速度运动，所以它们表现出与光子相同的波粒二象性。这意味着，通过将电子视为粒子，可以最好地描述电子的某些特性，而其他特性与驻波的行为一致。诸如振动弦之类的驻波的能量分布在由两个固定端和上下振动极限所限定的空间区域上。这种波不像粒子那样存在于空间的固定区域中。早期的原子结构模型将电子设想为绕核运动的粒子，但是现在将电子轨道解释为被称为波函数的驻波占据的空间区域。这些波函数代表了原子核周围空间中发现电子的可能性很高的区域。它们在键合理论中起着重要作用，这将在后面讨论。
原子核中的每个质子都需要一个电子来实现电中性。 因此，随着原子核中质子数量的增加，电子数量也随之增加。 电子单独或成对地占据越来越远离核的轨道。 距原子核较远的电子被原子核中的质子吸引的强度较小，并且可以更轻松地将其从原子中去除。 将电子从一个轨道移动到另一个轨道，或从一个轨道移动到自由空间所需的能量，给出了轨道能量水平的量度。 已经发现这些能量具有不同的固定值。 据说它们被量化了。 轨道之间的能量差导致每个化学原子独有的光吸收或发射的特征模式。
每次将另一个质子添加到原子核中，都会产生一个新的化学原子（即元素）。 连续添加质子会生成已知存在于宇宙中的全部元素。 当两个或多个不同元素通过原子键结合时，就会形成化合物。 这种键的形成是电子配对的结果，并构成所有结构化学的基础。
离子键和共价键
当两个不同的原子相互靠近时，其外部轨道中的电子可以两种不同的方式响应。原子A的最外层原子轨道中的电子可以完全移动到原子B的外部但更稳定的轨道上。产生的带电原子A +和B-被称为离子，它们之间的静电吸引力产生了被称为离子键。大多数元素可以形成离子键，产生的物质通常以正负离子的三维阵列形式存在。离子化合物通常是具有高熔点的结晶固体（例如食盐）。
原子A和B的两个外部电子可以响应A和B的方法的第二种方式是配对以形成共价键。在被称为价键模型的简单视图中，将电子严格地视为粒子，假定两个成对的电子位于两个原子核之间，并由原子A和B均等共享，从而形成共价键。通过一个或多个共价键连接在一起的原子构成分子。氢气由氢分子组成，氢分子又由两个通过共价键连接的氢原子组成。氢气的符号H2称为分子式。分子式表示组成一个分子的原子数和类型。分子H2负责通常与氢气有关的性质。地球上的大多数物质都具有共价键合的分子作为其基本化学单元，它们的分子特性与构成元素的分子特性完全不同。例如，二氧化碳的物理和化学性质与纯碳和纯氧完全不同。
将共价键解释为局部电子对是对键合情况的过度简化。考虑电子的波性质的键合的更全面描述是分子轨道理论。根据该理论，分子中的电子而不是局限于原子之间，而是以分子轨道描述的空间分布分布在分子中的所有原子上。当键合原子的原子轨道彼此结合时，产生这种轨道。分子中存在的分子轨道总数等于键合前组成原子中所有原子轨道的总和。因此，对于原子A和原子B的简单组合以形成分子AB，两个原子轨道组合以产生两个分子轨道。其中一个，即所谓的键合分子轨道，代表一个包围着A和B原子的空间区域，而另一个，即反键合分子轨道，具有两个凸角，两个都不占据两个原子之间的空间。与两个原子轨道相比，键合分子轨道的能量水平较低，而反键合轨道的能量水平较高。构成A和B之间的共价键的两个成对电子占据了键合分子轨道。因此，在A和B之间找到电子的可能性很高，但也可以在轨道上的其他地方找到它们。因为只有两个电子参与键的形成并且都可以容纳在较低能量的轨道中，所以反键轨道仍然不存在。该键合理论预测，由于键合后的成对电子的能量小于键合前其原子轨道中的两个电子的能量，因此将在A和B之间发生键合。因此大力促进共价键的形成。系统从较高能量的状态变为较低能量的状态。
该键合图的另一个特征是，它能够预测将电子从键合分子轨道移动到反键合轨道所需的能量。这种电子激发所需的能量可以由可见光提供，例如，吸收的光的波长决定了吸收分子显示的颜色（例如，紫罗兰是蓝色的，因为花朵中的色素吸收了红色的射线）。自然光并反射更多的蓝色）。随着分子中原子数目的增加，分子轨道的数目也增加。大分子的分子轨道计算在数学上是困难的，但是计算机使确定几个大分子的波动方程成为可能。通过这种计算预测的分子性质与实验结果很好地相关。
异构
许多元素可以形成两个或多个共价键，但只有少数能够形成共价键的延伸链。杰出的例子是碳，它可以形成多达四个共价键，并且可以无限期地与其自身键合。碳共有六个电子，其中两个成对排列在最接近原子核的原子轨道上。其余四个距离原子核较远，可用于共价键合。当存在足够的氢时，碳将反应形成甲烷CH4。当所有四个电子对都占据能量最低的四个分子轨道时，该分子呈四面体形状，碳位于中心，四个氢原子位于顶点。 C–H键的长度为110皮米（1皮米= 10-12米），相邻的C–H键之间的夹角接近110°。这种四面体对称性是许多碳化合物所共有的，并导致有趣的结构可能性。如果两个碳原子连接在一起，并且三个氢原子键合到每个碳原子上，则将获得乙烷分子。当四个碳原子连接在一起时，可能有两种不同的结构：称为正丁烷的线性结构和称为异丁烷的支链结构。这两个结构具有相同的分子式C4H10，但其组成原子的连接顺序不同。这两个分子称为结构异构体。它们各自具有独特的化学和物理性质，并且它们是不同的化合物。可能的异构体的数量随着碳原子数量的增加而迅速增加。 C6H14有5种异构体，C10H22有75种异构体，C40H82有6.2×1013。当碳与氢以外的原子（例如氧，氮和硫）形成键时，结构可能性就更大。正是这种巨大的结构多样性潜力使碳化合物对生物体至关重要。
即使当碳化合物的键合顺序固定时，进一步的结构变化仍然是可能的。当两个碳原子通过两个电子对结合在一起时，就会形成一个双键。双键迫使两个碳原子和连接的基团变成刚性的平面结构。结果，诸如CHCl = CHCl的分子可能以两种不同的形式存在，称为几何异构体。环结构中也会出现结构刚度，并且连接的基团可以在环的同一侧或不同侧。当碳原子键合到四个不同的基团上时，就会出现异构现象的另一个机会。这些可以以两种不同的方式附加，其中一种是另一种的镜像。这种类型的异构现象称为光学异构现象，因为这两种异构体对平面偏振光的影响不同。对于与四个不同基团键合的每个碳原子，可能有两个光学异构体。对于带有10个此类碳原子的分子，可能的异构体总数为210 = 1,024。大型生物分子通常具有10个或更多的碳原子，这样的光学异构体是可能的。所有可能的异构体中只有一个与天然分子相同。因此，实验室合成大型有机分子极为困难。仅在20世纪最后几十年，化学家才成功开发出可产生特定光学异构体的试剂和方法。他们期望新的合成方法将使合成更复杂的天然产物成为可能。
化学转化研究：基本因素
离子物质和共价键分子的结构在很大程度上决定了它们的功能。如上所述，物质的性质取决于其所包含原子的数量和类型以及所存在的键合模式。但是，其整体性质还取决于单个原子，离子或分子之间的相互作用。物质基本单位之间的吸引力决定了在给定的温度和压力下，该物质将以固相，液相还是气相存在。例如，在室温和常压下，钠的正离子（Na +）和氯的负离子（Cl-）之间的强大吸引力将它们吸引到紧凑的固体结构中。相邻水分子之间较弱的吸引力使液体的填充特性较松散。最后，相邻的氧分子之间的非常弱的吸引力被热量的分散力所抵消。因此，氧气是一种气体。因此，粒子间的力会影响物质的化学和物理行为，但它们在很大程度上还决定了粒子将如何响应其他粒子的接近。如果两个粒子相互反应形成新粒子，则发生了化学反应。尽管分子键允许无限的结构多样性，但如果物质无法改变，世界将没有生命。化学转化的研究是对分子结构的补充，它建立在能量和熵的概念上。
能量与热力学第一定律
在所有科学中，能量的概念是一个基础且熟悉的概念。简单来说，身体的能量代表其做功的能力，而工作本身就是一种作用于一定距离的力。
化学系统可以同时具有动能（运动能）和势能（存储能）。固体，液体或气体中分子的任何集合所拥有的动能称为热能。由于液体在具有更多的热能时会膨胀，因此，例如，液化的汞柱会随着温度升高而在真空管中升高。这样，温度计可以用于测量系统的热能或温度。所有分子运动停止的温度称为绝对零。
能量也可以作为势能存储在原子或分子中。当质子和中子结合形成某种元素的核时，势能的减少与大量动能的产生相匹配。例如，考虑由一个质子和一个中子形成氘核。化学家的基本质量单位是摩尔，以克为单位表示6.02×1023单个粒子的质量，无论它们是原子还是分子。一摩尔质子的质量为1.007825克，一摩尔中子的质量为1.008665克。通过简单加法，一摩尔氘原子的质量（忽略一摩尔电子的可忽略的质量）应为2.016490克。测量的质量比此小0.00239克。缺失的质量称为原子核的结合能，代表了由原子核形成释放的能量的质量当量。通过使用爱因斯坦的公式将质量转换为能量（E = mc2），可以计算出0.00239克的能量当量（2.15×108千焦耳）。这比一摩尔甲烷燃烧释放的能量大约大240,000倍。对原子形成和相互转化的能量学的此类研究是称为核化学的专业的一部分。
甲烷燃烧释放的能量约为每摩尔900焦耳。尽管比核反应释放的能量要少得多，但是化学过程（例如燃烧）释放的能量足够大，可以被感知为热和光。能量在所谓的放热反应中释放，因为产物分子（二氧化碳和水）中的化学键比反应物分子（甲烷和氧）中的化学键更强和更稳定。该系统的化学势能已经降低，大部分释放的能量以热的形式出现，而有些以辐射能或光的形式出现。这种燃烧反应产生的热量将升高周围空气的温度，并在恒定压力下增加其体积。空气的膨胀导致完成工作。例如，在内燃机的气缸中，汽油的燃烧导致热气在移动的活塞上膨胀。活塞的运动使曲轴转动，然后曲轴推动车辆。在这种情况下，化学势能已转换为热能，其中一些产生有用的功。这个过程说明了能量守恒的说法，即热力学第一定律。该定律指出，对于放热反应，化学系统释放的能量等于周围环境获得的热量加上所执行的功。通过测量伴随化学反应的热量和工作量，可以确定反应物与各种反应产物之间的能量差。以这种方式，可以确定存储在各种分子中的势能，并且可以计算伴随化学反应的能量变化。
熵和热力学第二定律
即使没有净能量变化，也会发生某些化学过程。考虑一个包含气体的容器，该容器通过一个通道连接到一个排空的容器，其中的障碍物阻碍了气体的通过。如果去除了屏障，气体将膨胀到抽空的容器中。这种膨胀与气体总是膨胀以填充可用体积的观察结果一致。当两个容器的温度相同时，膨胀前后的气体能量相同。但是，不会发生逆反应。自发反应是产生较大混乱状态的反应。在膨胀的体积中，各个气体分子具有更大的运动自由度，因此更加无序。系统无序的量度是称为熵的量。在绝对为零的温度下，原子和分子的所有运动都停止了，这种完全压实的物质的无序（和熵）为零。 （零温度下的零熵符合热力学第三定律。）绝对零以上的所有物质都将具有随温度增加的正熵值。当热的物体冷却下来时，它失去的热能会传递到温度较低的周围空气中。随着冷却体的熵减小，周围空气的熵增大。实际上，空气的熵的增加大于冷却体的熵的减少。这与第二定律是一致的，第二定律指出系统及其周围环境的总熵总是以自发反应增加。因此，热力学的第一定律和第二定律表明，对于整个宇宙中化学变化的所有过程，能量都是守恒的，但是熵却增加了。
将热力学定律应用于化学系统可以使化学家预测化学反应的行为。当能量和熵的考虑有利于产物分子的形成时，试剂分子将起到形成产物的作用，直到在产物和试剂之间建立平衡为止。产物与试剂的比率由称为平衡常数的量指定，该量是两者之间的能量和熵差的函数。然而，热力学无法预测的是化学反应发生的速率。为了快速反应，可以在1毫秒或更短的时间内建立产物和试剂的平衡混合物。对于较慢的反应，所需的时间可能是数百年。
化学反应速度
通过实验测量化学反应的特定速率时，发现它们取决于反应物种的浓度，温度和称为活化能的量。化学家通过反应速率的碰撞理论解释了这种现象。该理论的前提是，两种或多种化学物质之间的反应在分子水平上要求两个快速运动的分子之间发生碰撞。如果两个分子以正确的方式碰撞并具有足够的动能，则其中一个分子可能会获得足够的能量来启动键断裂过程。发生这种情况时，可能会开始形成新的键，最终试剂分子会转化为产物分子。键断裂和键形成过程中的最高能量点称为分子过程的过渡态。过渡态的能量与反应分子的能量之间的差是发生反应所必须超过的活化能。反应速率随温度增加而增加，因为碰撞的分子具有更大的能量，并且更多的能量将超过反应的活化能。激光和计算机极大地帮助了对化学变化的分子基础的现代研究。现在有可能研究短暂的碰撞产物，并更好地确定固定化学反应速率的分子机制。该知识可用于设计新型催化剂，该催化剂可通过降低活化能来加快反应速度。催化剂对许多生化和工业过程都很重要，因为它们会加速通常发生得太慢而无法使用的反应。而且，它们通常通过增加对产物分子的结构特征的控制来这样做。例如，铑膦催化剂已使化学家在合成L-多巴（用于治疗帕金森氏病的药物）的关键步骤中，获得了96％的正确光学异构体。
分子结构研究
物质的化学性质是其结构的函数，现在X射线晶体学技术使化学家能够确定复杂分子的精确原子排列。 分子是原子的有序集合。 分子中的每个原子通过化学键与一个或多个相邻原子连接。 键的长度和相邻键之间的角度对于描述分子结构都很重要，全面的化学键理论是现代化学的主要成就之一。 键合理论的基础是原子分子概念。
原子和元素
就一般化学而言，原子由三个基本粒子组成：质子，中子和电子。尽管质子和中子本身由较小的单元组成，但其子结构对化学转化的影响很小。如前面部分所述，质子带有+1的电荷，原子核中的质子数将一种化学原子与另一种化学原子区分开。所有最简单的原子，氢，具有由单个质子组成的核。中子的质量几乎与质子相同，但是没有电荷。中子在氢以外的所有原子的原子核中都带有质子。原子核中有一个质子和一个中子的原子称为氘。因为氘只有一个质子，所以氘的化学性质与氢相同，但质量不同。氢和氘是称为同位素的相关原子的例子。第三原子粒子电子具有-1的电荷，但其质量比质子小1,836倍。电子占据了被称为轨道的原子核以外的空间区域。一些轨道是球形的，原子核在中心。因为电子的质量很小，并且以接近光速一半的速度运动，所以它们表现出与光子相同的波粒二象性。这意味着，通过将电子视为粒子，可以最好地描述电子的某些特性，而其他特性与驻波的行为一致。诸如振动弦之类的驻波的能量分布在由两个固定端和上下振动极限所限定的空间区域上。这种波不像粒子那样存在于空间的固定区域中。早期的原子结构模型将电子设想为绕核运动的粒子，但是现在将电子轨道解释为被称为波函数的驻波占据的空间区域。这些波函数代表了原子核周围空间中发现电子的可能性很高的区域。它们在键合理论中起着重要作用，这将在后面讨论。
原子核中的每个质子都需要一个电子来实现电中性。 因此，随着原子核中质子数量的增加，电子数量也随之增加。 电子单独或成对地占据越来越远离核的轨道。 距原子核较远的电子被原子核中的质子吸引的强度较小，并且可以更轻松地将其从原子中去除。 将电子从一个轨道移动到另一个轨道，或从一个轨道移动到自由空间所需的能量，给出了轨道能量水平的量度。 已经发现这些能量具有不同的固定值。 据说它们被量化了。 轨道之间的能量差导致每个化学原子独有的光吸收或发射的特征模式。
每次将另一个质子添加到原子核中，都会产生一个新的化学原子（即元素）。 连续添加质子会生成已知存在于宇宙中的全部元素。 当两个或多个不同元素通过原子键结合时，就会形成化合物。 这种键的形成是电子配对的结果，并构成所有结构化学的基础。
离子键和共价键
当两个不同的原子相互靠近时，其外部轨道中的电子可以两种不同的方式响应。原子A的最外层原子轨道中的电子可以完全移动到原子B的外部但更稳定的轨道上。产生的带电原子A +和B-被称为离子，它们之间的静电吸引力产生了被称为离子键。大多数元素可以形成离子键，产生的物质通常以正负离子的三维阵列形式存在。离子化合物通常是具有高熔点的结晶固体（例如食盐）。
原子A和B的两个外部电子可以响应A和B的方法的第二种方式是配对以形成共价键。在被称为价键模型的简单视图中，将电子严格地视为粒子，假定两个成对的电子位于两个原子核之间，并由原子A和B均等共享，从而形成共价键。通过一个或多个共价键连接在一起的原子构成分子。氢气由氢分子组成，氢分子又由两个通过共价键连接的氢原子组成。氢气的符号H2称为分子式。分子式表示组成一个分子的原子数和类型。分子H2负责通常与氢气有关的性质。地球上的大多数物质都具有共价键合的分子作为其基本化学单元，它们的分子特性与构成元素的分子特性完全不同。例如，二氧化碳的物理和化学性质与纯碳和纯氧完全不同。
将共价键解释为局部电子对是对键合情况的过度简化。考虑电子的波性质的键合的更全面描述是分子轨道理论。根据该理论，分子中的电子而不是局限于原子之间，而是以分子轨道描述的空间分布分布在分子中的所有原子上。当键合原子的原子轨道彼此结合时，产生这种轨道。分子中存在的分子轨道总数等于键合前组成原子中所有原子轨道的总和。因此，对于原子A和原子B的简单组合以形成分子AB，两个原子轨道组合以产生两个分子轨道。其中一个，即所谓的键合分子轨道，代表一个包围着A和B原子的空间区域，而另一个，即反键合分子轨道，具有两个凸角，两个都不占据两个原子之间的空间。与两个原子轨道相比，键合分子轨道的能量水平较低，而反键合轨道的能量水平较高。构成A和B之间的共价键的两个成对电子占据了键合分子轨道。因此，在A和B之间找到电子的可能性很高，但也可以在轨道上的其他地方找到它们。因为只有两个电子参与键的形成并且都可以容纳在较低能量的轨道中，所以反键轨道仍然不存在。该键合理论预测，由于键合后的成对电子的能量小于键合前其原子轨道中的两个电子的能量，因此将在A和B之间发生键合。因此大力促进共价键的形成。系统从较高能量的状态变为较低能量的状态。
该键合图的另一个特征是，它能够预测将电子从键合分子轨道移动到反键合轨道所需的能量。这种电子激发所需的能量可以由可见光提供，例如，吸收的光的波长决定了吸收分子显示的颜色（例如，紫罗兰是蓝色的，因为花朵中的色素吸收了红色的射线）。自然光并反射更多的蓝色）。随着分子中原子数目的增加，分子轨道的数目也增加。大分子的分子轨道计算在数学上是困难的，但是计算机使确定几个大分子的波动方程成为可能。通过这种计算预测的分子性质与实验结果很好地相关。
异构
许多元素可以形成两个或多个共价键，但只有少数能够形成共价键的延伸链。杰出的例子是碳，它可以形成多达四个共价键，并且可以无限期地与其自身键合。碳共有六个电子，其中两个成对排列在最接近原子核的原子轨道上。其余四个距离原子核较远，可用于共价键合。当存在足够的氢时，碳将反应形成甲烷CH4。当所有四个电子对都占据能量最低的四个分子轨道时，该分子呈四面体形状，碳位于中心，四个氢原子位于顶点。 C–H键的长度为110皮米（1皮米= 10-12米），相邻的C–H键之间的夹角接近110°。这种四面体对称性是许多碳化合物所共有的，并导致有趣的结构可能性。如果两个碳原子连接在一起，并且三个氢原子键合到每个碳原子上，则将获得乙烷分子。当四个碳原子连接在一起时，可能有两种不同的结构：称为正丁烷的线性结构和称为异丁烷的支链结构。这两个结构具有相同的分子式C4H10，但其组成原子的连接顺序不同。这两个分子称为结构异构体。它们各自具有独特的化学和物理性质，并且它们是不同的化合物。可能的异构体的数量随着碳原子数量的增加而迅速增加。 C6H14有5种异构体，C10H22有75种异构体，C40H82有6.2×1013。当碳与氢以外的原子（例如氧，氮和硫）形成键时，结构可能性就更大。正是这种巨大的结构多样性潜力使碳化合物对生物体至关重要。
即使当碳化合物的键合顺序固定时，进一步的结构变化仍然是可能的。当两个碳原子通过两个电子对结合在一起时，就会形成一个双键。双键迫使两个碳原子和连接的基团变成刚性的平面结构。结果，诸如CHCl = CHCl的分子可能以两种不同的形式存在，称为几何异构体。环结构中也会出现结构刚度，并且连接的基团可以在环的同一侧或不同侧。当碳原子键合到四个不同的基团上时，就会出现异构现象的另一个机会。这些可以以两种不同的方式附加，其中一种是另一种的镜像。这种类型的异构现象称为光学异构现象，因为这两种异构体对平面偏振光的影响不同。对于与四个不同基团键合的每个碳原子，可能有两个光学异构体。对于带有10个此类碳原子的分子，可能的异构体总数为210 = 1,024。大型生物分子通常具有10个或更多的碳原子，这样的光学异构体是可能的。所有可能的异构体中只有一个与天然分子相同。因此，实验室合成大型有机分子极为困难。仅在20世纪最后几十年，化学家才成功开发出可产生特定光学异构体的试剂和方法。他们期望新的合成方法将使合成更复杂的天然产物成为可能。
化学转化研究：基本因素
离子物质和共价键分子的结构在很大程度上决定了它们的功能。如上所述，物质的性质取决于其所包含原子的数量和类型以及所存在的键合模式。但是，其整体性质还取决于单个原子，离子或分子之间的相互作用。物质基本单位之间的吸引力决定了在给定的温度和压力下，该物质将以固相，液相还是气相存在。例如，在室温和常压下，钠的正离子（Na +）和氯的负离子（Cl-）之间的强大吸引力将它们吸引到紧凑的固体结构中。相邻水分子之间较弱的吸引力使液体的填充特性较松散。最后，相邻的氧分子之间的非常弱的吸引力被热量的分散力所抵消。因此，氧气是一种气体。因此，粒子间的力会影响物质的化学和物理行为，但它们在很大程度上还决定了粒子将如何响应其他粒子的接近。如果两个粒子相互反应形成新粒子，则发生了化学反应。尽管分子键允许无限的结构多样性，但如果物质无法改变，世界将没有生命。化学转化的研究是对分子结构的补充，它建立在能量和熵的概念上。
能量与热力学第一定律
在所有科学中，能量的概念是一个基础且熟悉的概念。简单来说，身体的能量代表其做功的能力，而工作本身就是一种作用于一定距离的力。
化学系统可以同时具有动能（运动能）和势能（存储能）。固体，液体或气体中分子的任何集合所拥有的动能称为热能。由于液体在具有更多的热能时会膨胀，因此，例如，液化的汞柱会随着温度升高而在真空管中升高。这样，温度计可以用于测量系统的热能或温度。所有分子运动停止的温度称为绝对零。
能量也可以作为势能存储在原子或分子中。当质子和中子结合形成某种元素的核时，势能的减少与大量动能的产生相匹配。例如，考虑由一个质子和一个中子形成氘核。化学家的基本质量单位是摩尔，以克为单位表示6.02×1023单个粒子的质量，无论它们是原子还是分子。一摩尔质子的质量为1.007825克，一摩尔中子的质量为1.008665克。通过简单加法，一摩尔氘原子的质量（忽略一摩尔电子的可忽略的质量）应为2.016490克。测量的质量比此小0.00239克。缺失的质量称为原子核的结合能，代表了由原子核形成释放的能量的质量当量。通过使用爱因斯坦的公式将质量转换为能量（E = mc2），可以计算出0.00239克的能量当量（2.15×108千焦耳）。这比一摩尔甲烷燃烧释放的能量大约大240,000倍。对原子形成和相互转化的能量学的此类研究是称为核化学的专业的一部分。
甲烷燃烧释放的能量约为每摩尔900焦耳。尽管比核反应释放的能量要少得多，但是化学过程（例如燃烧）释放的能量足够大，可以被感知为热和光。能量在所谓的放热反应中释放，因为产物分子（二氧化碳和水）中的化学键比反应物分子（甲烷和氧）中的化学键更强和更稳定。该系统的化学势能已经降低，大部分释放的能量以热的形式出现，而有些以辐射能或光的形式出现。这种燃烧反应产生的热量将升高周围空气的温度，并在恒定压力下增加其体积。空气的膨胀导致完成工作。例如，在内燃机的气缸中，汽油的燃烧导致热气在移动的活塞上膨胀。活塞的运动使曲轴转动，然后曲轴推动车辆。在这种情况下，化学势能已转换为热能，其中一些产生有用的功。这个过程说明了能量守恒的说法，即热力学第一定律。该定律指出，对于放热反应，化学系统释放的能量等于周围环境获得的热量加上所执行的功。通过测量伴随化学反应的热量和工作量，可以确定反应物与各种反应产物之间的能量差。以这种方式，可以确定存储在各种分子中的势能，并且可以计算伴随化学反应的能量变化。
熵和热力学第二定律
即使没有净能量变化，也会发生某些化学过程。考虑一个包含气体的容器，该容器通过一个通道连接到一个排空的容器，其中的障碍物阻碍了气体的通过。如果去除了屏障，气体将膨胀到抽空的容器中。这种膨胀与气体总是膨胀以填充可用体积的观察结果一致。当两个容器的温度相同时，膨胀前后的气体能量相同。但是，不会发生逆反应。自发反应是产生较大混乱状态的反应。在膨胀的体积中，各个气体分子具有更大的运动自由度，因此更加无序。系统无序的量度是称为熵的量。在绝对为零的温度下，原子和分子的所有运动都停止了，这种完全压实的物质的无序（和熵）为零。 （零温度下的零熵符合热力学第三定律。）绝对零以上的所有物质都将具有随温度增加的正熵值。当热的物体冷却下来时，它失去的热能会传递到温度较低的周围空气中。随着冷却体的熵减小，周围空气的熵增大。实际上，空气的熵的增加大于冷却体的熵的减少。这与第二定律是一致的，第二定律指出系统及其周围环境的总熵总是以自发反应增加。因此，热力学的第一定律和第二定律表明，对于整个宇宙中化学变化的所有过程，能量都是守恒的，但是熵却增加了。
将热力学定律应用于化学系统可以使化学家预测化学反应的行为。当能量和熵的考虑有利于产物分子的形成时，试剂分子将起到形成产物的作用，直到在产物和试剂之间建立平衡为止。产物与试剂的比率由称为平衡常数的量指定，该量是两者之间的能量和熵差的函数。然而，热力学无法预测的是化学反应发生的速率。为了快速反应，可以在1毫秒或更短的时间内建立产物和试剂的平衡混合物。对于较慢的反应，所需的时间可能是数百年。
化学反应速度
通过实验测量化学反应的特定速率时，发现它们取决于反应物种的浓度，温度和称为活化能的量。化学家通过反应速率的碰撞理论解释了这种现象。该理论的前提是，两种或多种化学物质之间的反应在分子水平上要求两个快速运动的分子之间发生碰撞。如果两个分子以正确的方式碰撞并具有足够的动能，则其中一个分子可能会获得足够的能量来启动键断裂过程。发生这种情况时，可能会开始形成新的键，最终试剂分子会转化为产物分子。键断裂和键形成过程中的最高能量点称为分子过程的过渡态。过渡态的能量与反应分子的能量之间的差是发生反应所必须超过的活化能。反应速率随温度增加而增加，因为碰撞的分子具有更大的能量，并且更多的能量将超过反应的活化能。激光和计算机极大地帮助了对化学变化的分子基础的现代研究。现在有可能研究短暂的碰撞产物，并更好地确定固定化学反应速率的分子机制。该知识可用于设计新型催化剂，该催化剂可通过降低活化能来加快反应速度。催化剂对许多生化和工业过程都很重要，因为它们会加速通常发生得太慢而无法使用的反应。而且，它们通常通过增加对产物分子的结构特征的控制来这样做。例如，铑膦催化剂已使化学家在合成L-多巴（用于治疗帕金森氏病的药物）的关键步骤中，获得了96％的正确光学异构体。
