메탄의 연소에 의해 방출되는 에너지는 1몰당 약 900킬로줄입니다. 핵반응에 의해 방출되는 에너지보다 훨씬 적지만 연소와 같은 화학적 과정에 의해 방출되는 에너지는 열과 빛으로 인식될 수 있을 정도로 큽니다. 소위 발열반응에서 에너지가 방출되는 이유는 생성물 분자인 이산화탄소와 물의 화학결합이 반응물 분자인 메탄과 산소보다 더 강하고 안정적이기 때문입니다. 계의 화학 퍼텐셜에너지가 감소하여 방출되는 에너지의 대부분은 열로 나타나고, 일부는 복사에너지, 즉 빛으로 나타납니다. 이러한 연소반응에 의해 생성된 열은 주변 공기의 온도를 높여 일정한 압력에서 공기의 부피를 증가시킵니다. 공기의 팽창은 일이 이루어지는 결과를 가져옵니다. 예를 들어 내연기관의 실린더에서 가솔린의 연소에 의해 움직이는 피스톤에 대항하여 팽창하는 뜨거운 가스가 발생합니다. 피스톤의 운동에 의해 크랭크축이 회전하여 차량을 추진시킵니다. 이 경우 화학 퍼텐셜에너지는 열에너지로 변환되고 일부는 유용한 일을 만들어냅니다. 이 과정은 열역학 제1법칙으로 알려진 에너지 보존 상태를 보여줍니다. 이 법칙에 따르면 발열반응에 대해 화학계에서 방출되는 에너지는 주변에서 얻는 열과 수행되는 일의 양이 같다는 것입니다. 화학반응에 수반되는 열과 일량을 측정하면 반응물과 다양한 반응의 생성물 사이의 에너지 차이를 확인할 수 있습니다. 이러한 방법으로 다양한 분자에 저장된 퍼텐셜에너지가 결정되고 화학반응에 수반되는 에너지 변화가 계산됩니다. 엔트로피와 열역학 제2법칙: 어떤 화학적 과정들은 순에너지 변화가 없어도 발생합니다. 기체가 들어 있는 용기를 생각해보면, 차단벽이 기체의 통과를 방해하는 통로를 통해 대피한 용기로 연결되어 있습니다. 차단벽이 제거되면, 기체는 대피한 용기로 팽창할 것입니다. 이 팽창은 기체가 항상 팽창하여 부피를 채울 수 있다는 관측과 일치합니다. 두 용기의 온도가 같을 때, 팽창 전과 후의 기체의 에너지는 동일합니다. 그러나 역반응은 일어나지 않습니다. 자발적인 반응은 더 큰 무질서를 낳는 것입니다. 팽창된 부피에서 개별 기체 분자는 더 큰 자유도를 가지며, 따라서 더 무질서하게 됩니다. 계의 무질서를 측정하는 양을 엔트로피라고 합니다. 절대영도의 온도에서는 원자와 분자의 모든 운동이 중단되고, 그러한 완벽하게 밀집된 물질의 무질서와 엔트로피는 0입니다. (영도의 엔트로피는 열역학 제3법칙에 따른 것입니다.) 절대영도 이상의 모든 물질은 온도에 따라 증가하는 양의 엔트로피 값을 가질 것입니다. 뜨거운 물체가 식으면, 열에너지가 주위의 공기, 즉 더 낮은 온도로 전달됩니다. 냉각체의 엔트로피가 감소하면, 주위 공기의 엔트로피는 증가합니다. 사실, 공기의 엔트로피 증가는 냉각체의 엔트로피 감소보다 더 큽니다. 이것은 자발적인 반응으로 계와 주변의 총 엔트로피는 항상 증가한다는 제2법칙과 일치합니다. 따라서 열역학 제1법칙과 제2법칙은 우주 전체의 모든 화학변화 과정에서 에너지는 보존되지만 엔트로피는 증가함을 나타냅니다. 열역학 법칙을 화학계에 적용하면 화학자들은 화학 반응의 거동을 예측할 수 있습니다. 에너지와 엔트로피의 고려가 생성물 분자의 형성에 유리할 때, 생성물과 시약 사이에 평형이 형성될 때까지 시약 분자는 작용하여 생성물을 형성합니다. 생성물과 시약의 비율은 평형 상수로 알려진 양으로 지정되며, 이것은 둘 사이의 에너지와 엔트로피 차이의 함수입니다. 그러나 열역학적으로 예측할 수 없는 것은 화학 반응이 일어나는 속도입니다. 빠른 반응의 경우 생성물과 시약의 평형 혼합물이 1밀리초 이내에 생성될 수 있고, 느린 반응의 경우 필요한 시간은 수백 년이 될 수 있습니다. 반응속도: 구체적인 화학 반응 속도를 실험적으로 측정해보면 반응종의 농도, 온도, 활성화 에너지라는 양에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다. 화학자들은 이 현상을 반응 속도의 충돌 이론에 의존해 설명합니다. 이 이론은 두 가지 이상의 화학 물질 사이의 반응이 분자 수준에서 빠르게 움직이는 두 분자 사이의 충돌을 필요로 한다는 것을 전제로 합니다. 두 분자가 올바른 방향으로, 그리고 충분한 운동 에너지로 충돌하면 두 분자 중 하나가 결합 파괴 과정을 시작할 만큼 충분한 에너지를 얻을 수 있습니다. 이렇게 되면 새로운 결합이 형성되기 시작할 수 있고, 결국 시약 분자는 생성물 분자로 전환됩니다. 결합이 깨지고 결합이 형성될 때 에너지가 가장 높은 지점을 분자 과정의 전이 상태라고 합니다. 전이 상태의 에너지와 반응하는 분자의 에너지의 차이는 반응이 일어나려면 넘어야 하는 활성화 에너지입니다. 충돌하는 분자의 에너지가 더 크므로 온도에 따라 반응 속도가 증가하고, 그 중 더 많은 분자가 반응의 활성화 에너지를 초과하는 에너지를 갖게 됩니다. 레이저와 컴퓨터는 화학 변화의 분자적 기초에 대한 현대적인 연구에 큰 도움을 주었습니다. 이제 짧은 시간 동안 충돌하는 생성물을 연구하고, 화학 반응 속도를 고정시키는 분자 메커니즘을 더 잘 결정할 수 있게 되었습니다. 이 지식은 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 높일 수 있는 새로운 촉매를 설계하는 데 유용합니다. 촉매는 보통 너무 느리게 일어나 쓸모가 없게 되는 반응을 빠르게 하기 때문에 많은 생화학 공정과 산업 공정에서 중요합니다. 게다가, 생성물 분자의 구조적 특징을 더 잘 통제할 수 있게 되면서 종종 그렇게 합니다. 예를 들어, 로듐 포스핀 촉매는 파킨슨병 치료에 사용되는 약물인 L-도파 합성의 핵심 단계에서 화학자들이 정확한 광학 이성질체의 96퍼센트를 얻을 수 있게 해주었습니다.
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