Chemische Reaktionen treten immer dann auf, wenn Bindungen zwischen Molekülen gebildet oder aufgebrochen werden. Warum sich bestimmte Atome mit welchen anderen Atomen verbinden, ist eine komplexe Frage, die von der Quantenchemie erschöpfend erklärt wird. Die einfache Version ist, dass sich Atome aufgrund der Eigenschaften ihrer Elektronenhüllen elektromagnetisch verbinden. Es gibt verschiedene Arten von chemischen Bindungen; im Allgemeinen ist die Bindung umso stärker, je enger die Elektronenschalen überlappen. Chemische Reaktionen treten auf, wenn Wärme, Strahlung und/oder Fremdchemikalien einen Gleichgewichtszustand stören und zum Aufbrechen und/oder zur Bildung chemischer Bindungen führen, wodurch neue Molekülformen entstehen.
Chemische Reaktionen können in einige Kategorien eingeteilt werden. Die einfachste ist wahrscheinlich die Synthese, bei der sich zwei oder mehr Moleküle oder Atome zu einem neuen Molekül verbinden. Zum Beispiel bildet Eisen plus Sauerstoff Eisenoxid oder Rost. Das Gegenteil der Synthese ist die Analyse oder die chemische Zersetzung, bei der ein Molekül in seine Bestandteile zerfällt. Dies tritt auf, wenn die Elektrolyse von Wasser Sauerstoff und Wasserstoffgas erzeugt. Substitution, eine andere Art chemischer Reaktion, findet statt, wenn ein reaktiveres Atom oder Molekül einen Teil eines anderen Moleküls ausstößt und seinen Platz einnimmt. Dies geschieht immer dann, wenn sich eine Säure in ein Metall frisst. Und schließlich gibt es die Verbrennung, die auftritt, wenn etwas wie Holz oxidiert und verbrannt wird.
Die Zahl möglicher chemischer Reaktionen in der Natur ist enorm. Es sind mehr als Milliarden – weil sehr große Moleküle so viele Bestandteile haben, ist die Zahl der möglichen Reaktionen immens. Dies gilt insbesondere in der organischen Chemie, wo Millionen-Atom-Moleküle die Norm sind. Leben ist möglich wegen der enormen Menge möglicher chemischer Konfigurationen, die durch organische Moleküle erreicht werden können.
Speziell in organischen Stoffen sind spezielle Moleküle, sogenannte Enzyme, in der Lage, chemische Reaktionen zu beschleunigen, ohne selbst eine chemische Veränderung zu erfahren. Ein anderes Wort dafür ist ein Katalysator. Ohne katalytische Enzyme würde die alltägliche Kaskade der zahlreichen Reaktionen, aus denen das Leben besteht, zu lange dauern, um praktikabel zu sein. In Autos verarbeiten Katalysatoren die Abgase des Motors, um sie weitaus weniger giftig zu machen, als es sonst der Fall wäre. Eine sehr wichtige Aufgabe von Chemikern ist es, Katalysatoren gründlich zu verstehen.
Es ist unmöglich, die Bedeutung chemischer Reaktionen in der Welt, in der wir leben, zu unterschätzen. Zahlreiche wissenschaftliche Fortschritte entstehen, wenn wir auch nur ein bisschen mehr über Chemie verstehen. Einer der vielleicht wichtigsten für die menschliche Zivilisation ist der Haber-Bosch-Prozess – eine chemische Reaktion, bei der Stickstoff aus der Atmosphäre komprimiert und mit anderen Chemikalien in einer überhitzten Umgebung zu Kunstdünger kombiniert wird. Ohne sie könnten wir nicht alle Pflanzen anbauen, mit denen wir uns selbst ernähren, und die Weltbevölkerung wäre viel kleiner und hungriger.