miniatura|Reacció química de la termita. La termita és una mescla de llimalla d’alumini i un òxid metàl·lic, generalment òxid de ferro(III), emprada en aluminotèrmia per a soldar peces de ferro. Una reacció química és un procés de transformació d'unes espècies químiques en unes altres per reordenació d'electrons de l'escorça dels àtoms. Els processos que afecten els nuclis atòmics (desintegracions, fissions o fusions) no impliquen electrons de l'escorça, per la qual cosa no són reaccions químiques. Tampoc ho són els canvis d'estat, perquè les substàncies químiques no canvien.
Les espècies químiques presents a l'inici de la reacció s'anomenen reactius, i les que s'obtenen productes de la reacció. El temps que dura una reacció química es rompen alguns enllaços químics i se'n formen de nous. Les reaccions químiques poden desprendre calor o absorbir-ne. S'anomenen reaccions exotèrmiques les que cedeixen calor als seus voltants, i reaccions endotèrmiqueso les que absorbeixen calor del medi que envolta els reactius. En alguns casos absorbeixen o emeten altres formes d'energia, com pot ser lluminosa, un altre tipus de radiació electromagnètica (IR o UV) o corrent elèctric. Les reaccions químiques poden tenir lloc en una sola etapa (reaccions elementals) o en vàries (reacció complexa); en aquest cas es formen espècies químiques intermèdies, sovint prou inestables, que s'anomenen estats de transició. El conjunt de les diferents etapes d'una reacció química s'anomena mecanisme de reacció. La velocitat de reacció, la rapidesa en què els reactius es transformen en productes, depèn de la temperatura i de la concentració de reactius. Poden ser accelerades mitjançant espècies químiques que, globalment, no es transformen, i que s'anomenen catalitzadors; o frenades, amb espècies químiques que s'anomenen inhibidors. Sovint, els reactius no es transformen completament en productes, a mesura que els reactius es transformen en productes també aquests es transformen en els reactius originals. Després d'un temps s'arriba a una situació d'equilibri dinàmic on la velocitat de reacció de reactius a productes s'iguala a la de productes a reactius. Quan s'assoleix aquesta situació hom parla d'equilibri químic.
Història miniatura|Antoine L. Lavoisier i la seva esposa Marie-Anne-Pierrette Paulze, 1758–1836. Fragment d'un retrat del 1788 de Jacques-Louis David. El concepte de reacció química es remunta aproximadament a fa 250 anys. Els seus orígens es troben en els experiments primigenis que classificaven les substàncies com a elements i composts, i en les teories que explicaven aquests processos. El desenvolupament del concepte de reacció química tengué un paper primordial en la definició de la ciència de la química tal com la coneixem avui.
Els primers estudis substantius en aquesta àrea se centraren en els gasos. La identificació de l'oxigen al pel químic suec Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) i el clergue anglès Joseph Priestley (1733-1804) fou una fita important. La influència del químic francès Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) fou destacada, ja que les seves aportacions confirmaren la importància de les mesures quantitatives dels processos químics. En el seu llibre del 1789 Traité Élémentaire de Chimie, Lavoisier identificà 33 elements químics, substàncies que no es descomponen en entitats més simples, escriví la primera equació química:
most del raïm = alcohol + àcid carbònic
i enuncià la llei de conservació de la massa de la següent manera: miniatura|John Dalton retrat del 1835 de Thomas Phillips.Entre els seus nombrosos descobriments, Lavoisier mesurà amb precisió la massa guanyada quan els elements s'oxidaven, i atribuí correctament el resultat a la combinació de l'element amb l'oxigen. El concepte de reaccions químiques que impliquen la combinació d'elements emergí clarament dels seus escrits, i el seu enfocament portà altres a prosseguir la química experimental com una ciència quantitativa. Un altre esdeveniment d'importància històrica pel que fa a les reaccions químiques fou el desenvolupament de la teoria atòmica. En aquest sentit, gran part del mèrit recau en el químic anglès John Dalton (1866-1844), qui postulà la seva teoria atòmica a principis del . Dalton sostenia que la matèria està composta de partícules petites i indivisibles, els àtoms. Els àtoms de cada element eren únics i les reaccions químiques implicaven la reorganització dels àtoms per formar noves substàncies. Aquesta visió de les reaccions químiques defineix amb precisió el tema actual. La teoria de Dalton proporcionà una base per comprendre els resultats dels experimentalistes anteriors, incloent-hi la llei de conservació de la massa de Lavoisier (la matèria no es crea ni es destrueix) i la llei de les proporcions definides del francès Joseph Louis Proust (1754-1826) (totes les mostres d'una substància tenen composicions elementals idèntiques).
Així, l'experiment i la teoria, els dos pilars fonamentals de la ciència química al món modern, definiren conjuntament el concepte de reaccions químiques. Avui dia, la química experimental proporciona innombrables exemples, i la química teòrica permet una comprensió del seu significat.
Conservació de la massa Els químics ordinàriament treballen amb quantitats ponderables d'elements i composts. Per exemple, en l'equació:
Fe(s) + S(s) -> FeS(s)
el símbol Fe representa 55,845 grams de ferro, S representa 32,066 grams de sofre i FeS representa 87,911 grams de sulfur de ferro(II). Com que la matèria no es crea ni es destrueix en una reacció química, la massa total dels reactius és la mateixa que la massa total dels productes (llei de conservació de la massa). Si s'utilitza alguna altra quantitat de ferro, diguem-ne, una dècima part (5,585 grams), només es pot consumir una dècima part de sofre (3,207 grams) i només es produeix una dècima part de sulfur de ferro(II) (8,791 grams). Si inicialment hi havia 32,066 grams de sofre amb 5,585 grams de ferro, llavors quedarien 28,859 grams de sofre quan la reacció s'hagués completat. El reactiu que es consumeix completament primer i que, per tant, limita la quantitat de producte que es pot formar es coneix com a reactiu limitant.
La relació de reactius i productes en una reacció química s'anomena estequiometria. L'estequiometria depèn del fet que la matèria es conserva en els processos químics, i els càlculs que donen relacions de massa es basen en el concepte de mol, la unitat de quantitat de substància. Un mol de qualsevol element o compost conté el mateix nombre d'àtoms o molècules, respectivament, que un mol de qualsevol altre element o compost. Per acord internacional, un mol de l'isòtop més comú del carboni (carboni 12) té una massa exactament de 12 grams (això s'anomena massa molar) i representa 6,022 1 × 1023 àtoms (constant d'Avogadro). Un mol de ferro conté 55,847 grams; un mol de metà conté 16,043 grams; un mol d'oxigen molecular equival a 31,999 grams; i un mol d'aigua és de 18,015 grams. Cadascuna d'aquestes masses representa 6,022 1 × 1023 molècules.
Reacció química a escala microscòpica Un canvi químic fàcil d'observar es produeix quan es talla una poma per la meitat i deixant-la exposada a l'aire. En uns quants minuts, la superfície de la fruita s'enfosqueix perquè algunes de les substàncies que la formen reaccionen amb l'oxigen de l'aire i es transformen en altres de noves. Es pot retardar l'enfosquiment si s'humiteja la superfície que està tallada amb suc de llimona. La vitamina C que hi ha al suc de llimona és un antioxidant natural. miniatura|330x330px|Representació del procés a escala atòmica de la reacció de combustió del metà.La reacció del metà (CH4, un component majoritari del gas natural) amb oxigen molecular O2 per produir diòxid de carboni CO2 i aigua es pot representar mitjançant l'equació química, on totes les espècies són gasos que se simbolitza per (g):
CH4(g) + 2 O2(g) -> CO2(g) + 2 H2O(g)
En reaccions sota condicions normals de laboratori, la matèria no es crea ni es destrueix, i els elements no es transformen en altres elements. Per tant, les equacions que representen reaccions han d'estar equilibrades; és a dir, el mateix nombre d'àtoms de cada mena ha d'aparèixer en costats oposats de l'equació. En aquesta equació química el nombre 2 que precedeix O2 i H2O és un coeficient estequiomètric (el nombre 1 que precedeix CH4 i CO2 està implícit.) Això indica que una molècula de metà reacciona amb dues molècules d'oxigen per produir una molècula de diòxid de carboni i dues molècules d'aigua. L'equació està equilibrada perquè el mateix nombre d'àtoms de cada element apareix a banda i banda de l'equació (aquí un carboni, quatre hidrògens i quatre oxígens). El nombre d'àtoms de cada tipus es conserva en una reacció química.
Energia de les reaccions químiques Una reacció química implica un canvi d'energia (o calor) del sistema, en passar de reactius a productes. Una reacció és exotèrmica si allibera energia, i endotèrmica si cal aportar-li energia perquè tingui lloc. Des d'un punt de vista termodinàmic, també cal tenir en compte el canvi d'entropia per predir si una reacció és espontània o no a una determinada temperatura.
L'energia exerceix un paper crucial en els processos químics. D'acord amb la concepció moderna de les reaccions químiques, els enllaços entre els àtoms dels reactius han de ser trencats, i els àtoms o fragments de molècules es reassemblen en productes mitjançant la formació de nous enllaços. S'absorbeix energia per a la ruptura d'enllaços, i s'allibera energia durant la formació d'aquests. En algunes reaccions, l'energia requerida per al trancament dels enllaços és superior a l'energia despresa en la formació dels nous, i el resultat net és l'absorció d'energia. Aquesta mena de reacció es denomina endotèrmica si l'energia es manifesta en forma de calor. L'antònim d'endotèrmic és exotèrmic; en una reacció exotèrmica, s'allibera energia en forma de calor. Els termes més generals exoèrgic (energia alliberada) i endoèrgic (energia requerida) s'utilitzen quan intervenen formes d'energia diferents de la calor.
La quantificació de la calor despresa o absorbida en una reacció química és fa mitjançant l'entalpia de reacció, simbolitzada . L'entalpia és una funció d'estat igual a la suma de l'energia interna més el producte de la pressió pel volum d'un sistema: . En els processos a pressió constant, com és el cas de les reaccions químiques que es realitzen a pressió atmosfèrica, la variació d'entalpia és igual a la quantitat de calor absorbida o cedida per un sistema.UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA; TERMCAT, CENTRE DE TERMINOLOGIA; ENCICLOPÈDIA CATALANA. Diccionari de física [en línia]. 2a ed. Barcelona: TERMCAT, Centre de Terminologia, cop. 2019. (Diccionaris en Línia) (Ciència i Tecnologia) https://www.termcat.cat/ca/diccionaris-en-linia/149 miniatura|Flama d'un cremador de butà d'una cuina. Un gran nombre de reaccions comunes són exotèrmiques i tenen una entalpia de reacció negativa (), ja que els reactius perden energia que es desprèn en forma de calor. La formació de composts a partir dels elements constituents és gairebé sempre exotèrmica. La formació d'aigua a partir d'hidrogen i oxigen moleculars i la formació d'un òxid metàl·lic com l'òxid de calci CaO a partir de calci metàl·lic i oxigen gasós en són exemples. Entre les reaccions exotèrmiques àmpliament reconegudes es troba la combustió de combustibles, com la reacció del butà amb l'oxigen emprada per a cuinar o en estufes catalítiques. Cada mol de butà, en cremar-se, desprèn 2 877,6 kJ de calor:
miniatura|A les formigoneres es produeix una reacció exotèrmica. La formació de calç apagada, que és hidròxid de calci Ca(OH)2, quan s'afegeix aigua a la calç viva, o òxid de calci CaO, és exotèrmica:
CaO(s) + H2O(l) -> Ca(OH)2(s)