Le reazioni chimiche si verificano ogni volta che si formano o si rompono legami tra le molecole. Perché certi atomi si combinano con altri atomi è una questione complessa che è spiegata in modo esauriente dalla chimica quantistica. La versione semplice è che gli atomi si legano insieme elettromagneticamente in base alle proprietà dei loro gusci di elettroni. Esistono vari tipi di legami chimici; in generale, più i gusci degli elettroni sono strettamente sovrapposti, più forte è il legame. Le reazioni chimiche avvengono quando calore, radiazioni e/o sostanze chimiche estranee disturbano una condizione di equilibrio e provocano la rottura e/o la formazione di legami chimici, dando origine a nuove forme molecolari.
Le reazioni chimiche possono essere classificate in alcune categorie. La più semplice è probabilmente la sintesi, in cui due o più molecole o atomi si combinano in una nuova molecola. Ad esempio, ferro più ossigeno forma ossido di ferro o ruggine. L’opposto della sintesi è l’analisi, o decomposizione chimica, in cui una molecola si scompone nei suoi costituenti. Ciò si verifica quando l’elettrolisi dell’acqua produce ossigeno e gas idrogeno. La sostituzione, un’altra varietà di reazione chimica, avviene quando un atomo o una molecola più reattivi espelle una parte di un’altra molecola e ne prende il posto. Questo accade ogni volta che un acido mangia in un metallo. E infine c’è la combustione, che avviene quando qualcosa come il legno subisce l’ossidazione e viene incenerito.
Il numero di possibili reazioni chimiche in natura è estremamente enorme. Ce ne sono più di miliardi: poiché molecole molto grandi hanno così tanti componenti, il numero di possibili reazioni è immenso. Ciò è particolarmente vero nella chimica organica, dove le molecole di milioni di atomi sono la norma. La vita è possibile grazie all’enorme quantità di possibili configurazioni chimiche ottenibili dalle molecole organiche.
Soprattutto negli organici, speciali molecole chiamate enzimi sono in grado di accelerare le reazioni chimiche senza subire esse stesse alcun cambiamento chimico. Un’altra parola per questo è un catalizzatore. Senza enzimi catalitici, la cascata quotidiana delle numerose reazioni che compongono la vita richiederebbe troppo tempo per essere pratica. Nelle automobili, i convertitori catalitici elaborano lo scarico del motore per renderlo molto meno tossico di quanto non sarebbe altrimenti. Un compito molto importante dei chimici è comprendere a fondo i catalizzatori.
È impossibile sottovalutare l’importanza delle reazioni chimiche nel mondo in cui viviamo. Numerosi progressi scientifici si verificano quando comprendiamo anche solo un po’ di più sulla chimica. Forse uno dei più importanti per la civiltà umana è il processo Haber-Bosch, una reazione chimica in cui l’azoto dall’atmosfera viene compresso e combinato con altre sostanze chimiche in un ambiente surriscaldato per creare fertilizzanti artificiali. Senza di essa, non saremmo in grado di coltivare tutte le piante che usiamo per nutrirci e la popolazione mondiale sarebbe molto più piccola e più affamata.