Les réactions chimiques se produisent chaque fois que des liaisons sont formées ou rompues entre les molécules. Pourquoi certains atomes se combinent avec quels autres atomes est une question complexe qui s’explique de manière exhaustive par la chimie quantique. La version simple est que les atomes se lient électromagnétiquement en fonction des propriétés de leurs couches électroniques. Il existe différents types de liaisons chimiques ; en général, plus les couches d’électrons se chevauchent étroitement, plus la liaison est forte. Les réactions chimiques se produisent lorsque la chaleur, le rayonnement et/ou des produits chimiques étrangers perturbent une condition d’équilibre et provoquent la rupture et/ou la formation de liaisons chimiques, donnant ainsi naissance à de nouvelles formes moléculaires.
Les réactions chimiques peuvent être classées en quelques catégories. La plus simple est probablement la synthèse, où deux molécules ou atomes ou plus se combinent en une nouvelle molécule. Par exemple, le fer et l’oxygène forment de l’oxyde de fer ou de la rouille. Le contraire de la synthèse est l’analyse, ou la décomposition chimique, où une molécule se sépare en ses constituants. Cela se produit lorsque l’électrolyse de l’eau produit de l’oxygène et de l’hydrogène gazeux. La substitution, une autre variété de réaction chimique, se produit lorsqu’un atome ou une molécule plus réactif éjecte une partie d’une autre molécule et prend sa place. Cela se produit chaque fois qu’un acide ronge un métal. Et enfin, il y a la combustion, qui se produit lorsque quelque chose comme le bois subit une oxydation et est incinéré.
Le nombre de réactions chimiques possibles dans la nature est extrêmement énorme. Il y en a plus de milliards – parce que les très grosses molécules ont tellement de composants, le nombre de réactions possibles est immense. Cela est particulièrement vrai en chimie organique, où les molécules d’un million d’atomes sont la norme. La vie est possible en raison de l’énorme quantité de configurations chimiques possibles réalisables par les molécules organiques.
Dans les matières organiques en particulier, des molécules spéciales appelées enzymes sont capables d’accélérer des réactions chimiques sans subir elles-mêmes de modification chimique. Un autre mot pour cela est un catalyseur. Sans enzymes catalytiques, la cascade quotidienne des nombreuses réactions qui composent la vie prendrait trop de temps pour être pratique. Dans les voitures, les convertisseurs catalytiques traitent les gaz d’échappement du moteur pour les rendre beaucoup moins toxiques qu’ils ne le seraient autrement. Une tâche très importante des chimistes est de bien comprendre les catalyseurs.
Il est impossible de sous-estimer l’importance des réactions chimiques dans le monde dans lequel nous vivons. De nombreux progrès scientifiques se produisent lorsque nous comprenons ne serait-ce qu’un peu plus la chimie. L’un des plus importants pour la civilisation humaine est peut-être le processus Haber-Bosch – une réaction chimique dans laquelle l’azote de l’atmosphère est comprimé et combiné à d’autres produits chimiques dans un environnement surchauffé pour créer un engrais artificiel. Sans cela, nous ne serions pas en mesure de faire pousser toutes les plantes que nous utilisons pour nous nourrir, et la population mondiale serait beaucoup plus petite et plus affamée.