Una reazione chimica è una trasformazione della materia che avviene senza variazioni misurabili di massa, in cui una o più specie chimiche (dette "reagenti") modificano la loro struttura e composizione originaria per generare altre specie chimiche (dette "prodotti").

Ciò avviene attraverso la formazione o la rottura dei cosiddetti "legami chimici intramolecolari", cioè attraverso un riassestamento delle forze di natura elettrostatica che intervengono tra i singoli atomi di cui sono costituite le entità molecolari che sono coinvolte nella reazione. Tali forze elettrostatiche sono a loro volta riconducibili all'effetto degli elettroni più esterni di ciascun atomo.

Una reazione chimica è caratterizzata dalla manifestazione di eventi sintomatici di varia natura, quali ad esempio: cambio di colore, produzione di calore, formazione di odore, cambio di stato della materia, formazione di gas o precipitato, effervescenza, ecc. Una reazione chimica non può avere luogo, o viene rallentata fino a fermarsi o addirittura a regredire, se non sono soddisfatte una serie di condizioni, come ad esempio presenza dei reagenti in misura adeguata e condizioni di temperatura, pressione e luce adatte alla specifica reazione.

Caratteristiche La materia è composta da atomi. Ogni atomo possiede proprietà peculiari, derivanti dalla sua struttura atomica. Gli atomi possono legarsi tra loro per formare molecole.. Le molecole si possono differenziare per il numero, il tipo e la posizione reciproca degli atomi che le costituiscono. Ogni tipo di molecola caratterizza una singola sostanza chimica. Se una sostanza chimica è costituita da più tipi di atomi (cioè da atomi di differenti elementi chimici), tale sostanza è detta "sostanza composta" o "composto chimico", mentre se è costituita da atomi dello stesso tipo (cioè da atomi dello stesso elemento chimico), tale sostanza è detta "sostanza semplice".

Ad esempio la molecola di ossigeno (O2) è costituita da due atomi dello stesso tipo (entrambi appartenenti all'elemento "ossigeno"), per cui l'ossigeno è una sostanza semplice.Da notare che spesso le sostanze semplici assumono il nome dell'elemento chimico corrispondente; ad esempio il termine "ossigeno" indica sia l'elemento chimico "ossigeno" sia la sostanza semplice corrispondente alla molecola biatomica (O2). Le molecole dell'acqua (H2O) sono invece costituite da due atomi di idrogeno legati ad un atomo di ossigeno, per cui l'acqua è un composto chimico.

Le molecole si formano attraverso una reazione chimica che comporta la rottura e la formazione di legami chimici tra atomi. Più in generale, le reazioni chimiche possono coinvolgere anche altre entità molecolari (ad esempio ioni o radicali) oltre alle molecole.

Le specie chimiche presenti prima dello svolgimento della reazione e che partecipano ad essa sono detti "reagenti", quelle che si ottengono dallo svolgimento della reazione sono dette invece "prodotti". Possono essere presenti specie chimiche che sono presenti nell'ambiente di reazione senza prendere parte né modificare il meccanismo di reazione: tali specie sono dette "inerti". Possono essere presenti inoltre specie chimiche che non partecipano alla reazione ma che modificano il meccanismo di reazione (e di conseguenza la velocità alla quale tale reazione avviene): tali specie sono dette "catalizzatori".

Reazioni chimiche e processi fisici Le reazioni chimiche non influenzano i suoi costituenti fondamentali (gli atomi) ma solo la maniera in cui sono legati tra loro; non influenzano nemmeno il modo in cui le molecole si influenzano a vicenda (attraverso i legami intermolecolari), quindi le trasformazioni che non comportano la rottura e la formazione di legami intramolecolari, come i cambiamenti di stato (tra cui fusione, solidificazione, ed evaporazione), l'usura, l'erosione e la frattura non sono reazioni chimiche, bensì processi fisici.

Allo stesso modo, non fanno parte delle reazioni chimiche le trasformazioni dei nuclei atomici, cioè le reazioni nucleari, sebbene tali reazioni assumano anche un certo interesse in chimica e vengano studiate dalla chimica nucleare.

Dunque le reazioni chimiche riguardano esclusivamente le variazioni dei legami tra gli atomi (legame covalente, legame ionico, legame metallico).

Tipologie di reazioni chimiche

A seconda del modo in cui si combinano i reagenti per dare luogo ai prodotti, si possono avere le seguenti tipologie di reazioni chimiche: sintesi: due o più reagenti danno luogo a un prodotto;. decomposizione: un reagente dà luogo a due o più prodotti;. sostituzione, o scambio semplice: un gruppo di una specie chimica viene sostituito da un altro gruppo; metatesi, o scambio doppio: scambio di due o più ioni fra elementi e gruppi aventi la stessa valenza.

Una reazione viene detta di ossidoriduzione (o redox) se durante il suo svolgimento alcune specie chimiche modificano il proprio numero di ossidazione... Le reazioni che non sono di ossidoriduzione sono reazioni acido-base (ovvero i reagenti di tali reazioni sono un acido e una base).

Equazioni chimiche I fenomeni che hanno luogo durante una reazione chimica vengono rappresentati mediante un'equazione chimica.. Un'equazione chimica è scritta in maniera simile ad un'equazione matematica, ed in essa compaiono due membri: al primo membro (cioè a sinistra della freccia o altro simbolo di reazione) compaiono i reagenti, mentre al secondo membro (cioè a destra della freccia o altro simbolo di reazione) vi sono i prodotti.

Un esempio di equazione chimica è la seguente:

3 H2 + N2 -> 2 NH3

In questo caso le specie chimiche H2 (idrogeno) e N2 (azoto) sono i reagenti, mentre la specie chimica NH3 (ammoniaca) è il prodotto della reazione.

Bilanciamento di un'equazione chimica

Aspetti termodinamici

Sistema e ambiente

Una reazione chimica può essere vista come una particolare trasformazione termodinamica, per cui, in analogia con le altre trasformazioni termodinamiche, durante lo studio di una reazione chimica possono essere definiti un "sistema" (che nel caso particolare delle reazioni chimiche è chiamato "sistema chimico") e un "ambiente" (da non confondersi con il concetto di "ambiente di reazione").

Il sistema è la parte dell'universo oggetto di studio. Un esempio di sistema chimico è una miscela di sostanze chimiche all'interno di un becher; quest'ultimo rappresenta il contorno del sistema, mentre l'ambiente è tutto ciò che circonda il sistema stesso (compresa l'aria circostante e le superfici con le quali il sistema è in contatto). L'insieme del sistema e dell'ambiente costituisce il cosiddetto "universo", che è un sistema isolato, cioè è un sistema che non presenta scambi di materia o di energia con altri sistemi.

Reazioni endotermiche ed esotermiche

Una reazione chimica che durante il suo svolgimento sviluppa calore è detta "esotermica", mentre una reazione chimica che durante il suo svolgimento assorbe calore dall'esterno è detta "endotermica".

Una reazione esotermica è quindi una reazione che comporta un trasferimento di calore dal sistema all'ambiente. Analogamente una reazione endotermica è una reazione che comporta un trasferimento di calore dall'ambiente al sistema (necessita dunque di energia esterna per procedere).

Nel caso in cui una reazione chimica si svolga a pressione costante (cioè se è un processo isobaro), tale reazione è esotermica se comporta una diminuzione di entalpia, mentre è endotermica se comporta un aumento di entalpia.

Reazioni spontanee e non spontanee

Durante lo svolgimento di una reazione chimica, alcuni o tutti i legami chimici associati alle specie reagenti si rompono, assorbendo una certa quantità di energia, quindi si formano nuovi legami chimici grazie al rilascio di una certa quantità energia. A reazione avvenuta comunque una certa aliquota di energia è conservata dalle specie prodotte. L'energia chimica "finale" associata alle specie prodotte può essere maggiore o minore rispetto all'energia di legame "iniziale" associata alle specie reagenti.

Se l'energia chimica dei prodotti è minore dell'energia chimica dei reagenti, vuol dire che è stata distribuita verso l'ambiente una certa quantità di energia (ad esempio sotto forma di calore). Se invece l'energia chimica dei prodotti è maggiore dell'energia chimica dei reagenti, vuol dire che è stata assorbita dall'ambiente una certa quantità di energia (ad esempio sotto forma di calore).

Le trasformazioni che hanno luogo durante una reazione chimica spontanea portano ad una diminuzione dellenergia totale del sistema, mentre le trasformazioni che hanno luogo durante una reazione chimica non spontanea portano ad un aumento dell'energia totale del sistema. Tale energia totale del sistema è pari alla grandezza termodinamica chiamata "energia libera di Gibbs" nel caso in cui la reazione avvenga a temperatura e pressione costanti..

Una reazione spontanea viene rappresentata da un'equazione chimica in cui il primo e il secondo membro sono separati da una freccia con il verso da sinistra verso destra, ad esempio:

NH3 + H2O -> NH4+ + OH-

Una reazione non spontanea è invece rappresentata da un'equazione chimica in cui il primo e il secondo membro sono separati da una freccia che con il verso da destra verso sinistra, ad esempio:

NH4+ + OH- <- NH3 + H2O

Dai due esempi precedenti si nota che se una reazione è spontanea la sua reazione inversa non è spontanea: questa è una regola di validità generale.. La reazione inversa è appunto quella in cui i prodotti della prima reazione (detta reazione diretta) si trasformano nei reagenti della prima reazione, per cui la reazione inversa si indica scambiando i due membri dell'equazione chimica corrispondente alla reazione diretta.

Reazioni reversibili e irreversibili

Quando una reazione chimica avviene mantenendo costante l'energia totale del sistema, l'energia di legame iniziale coincide con l'energia di legame finale, per cui sia la reazione diretta sia la reazione inversa hanno le stesse probabilità di avvenire: in tal caso si dice che la reazione è "reversibile".

Nel caso in cui una reazione sia reversibile, il sistema evolve verso un "equilibrio dinamico", in quanto il numero di entità molecolari che reagiscono nel senso della reazione diretta è compensato dal numero di entità molecolari che reagiscono nel senso della reazione inversa, per cui in ogni momento la composizione globale del sistema chimico rimane invariata.

Un esempio di reazione reversibile è la dissociazione dell'acqua (H2O) negli ioni H3O+ e OH-. In tal caso la reversibilità della reazione implica che il valore del grado di dissociazione (che in generale assume valori compresi tra e ) rimane costante.

Le reazioni reversibili sono rappresentate da un'equazione chimica in cui i due membri dell'equazione sono separati da una doppia freccia, in modo da indicare che la reazione avviene sia in un senso sia nell'altro senso. Ad esempio, riferendosi all'esempio precedente della dissociazione dell'acqua si può scrivere:

H2O <=> H3O+ + OH-

Una reazione che avvenga a temperatura e pressione costante è quindi reversibile se comporta una variazione dell'energia libera di Gibbs del sistema nulla, mentre è irreversibile se comporta una variazione dell'energia libera di Gibbs del sistema.

Aspetti cinetici

Attivazione di una reazione

Durante lo svolgimento di una reazione si passa da uno stato intermedio in cui alcuni vecchi legami sono stati spezzati e quelli nuovi non si sono ancora formati: tale stato è chiamato "stato di transizione"; in corrispondenza dello stato di transizione l'energia del sistema è massima, per cui per raggiungere lo stato di transizione a partire dai reagenti è necessario fornire un certo quantitativo di energia al sistema, che corrisponde all'energia di attivazione; l'energia di attivazione costituisce un ostacolo alla realizzazione della reazione, per cui si parla di "barriera dell'energia di attivazione".