Reacțiile chimice apar ori de câte ori se formează sau se rup legături între molecule. De ce anumiți atomi se combină cu care alți atomi este o întrebare complexă care este explicată exhaustiv de chimia cuantică. Versiunea simplă este că atomii se leagă între ei electromagnetic pe baza proprietăților învelișului lor de electroni. Există diferite tipuri de legături chimice; în general, cu cât învelișurile de electroni sunt mai strâns suprapuse, cu atât legătura este mai puternică. Reacțiile chimice apar atunci când căldura, radiația și/sau substanțele chimice străine perturbă o stare de echilibru și provoacă ruperea și/sau formarea de legături chimice, dând astfel naștere la noi forme moleculare.
Reacțiile chimice pot fi clasificate în câteva categorii. Cel mai simplu este probabil sinteza, în care două sau mai multe molecule sau atomi se combină într-o nouă moleculă. De exemplu, fierul plus oxigenul formează oxid de fier sau rugină. Opusul sintezei este analiza sau descompunerea chimică, în care o moleculă se desparte în constituenții săi. Acest lucru se întâmplă atunci când electroliza apei produce oxigen și hidrogen gazos. Substituția, o altă varietate de reacții chimice, are loc atunci când un atom sau o moleculă mai reactivă ejectează o parte a unei alte molecule și îi ia locul. Acest lucru se întâmplă ori de câte ori un acid mănâncă într-un metal. Și, în sfârșit, există arderea, care are loc atunci când ceva ca lemnul suferă oxidare și este incinerat.
Numărul de reacții chimice posibile în natură este extrem de mare. Există mai mult de miliarde – deoarece moleculele foarte mari au atât de multe componente, numărul de reacții posibile este imens. Acest lucru este valabil mai ales în chimia organică, unde moleculele de milioane de atomi sunt norma. Viața este posibilă datorită cantității uriașe de configurații chimice posibile care pot fi realizate de molecule organice.
În special în substanțele organice, moleculele speciale numite enzime sunt capabile să accelereze reacțiile chimice fără să sufere ele însele vreo modificare chimică. Un alt cuvânt pentru aceasta este catalizator. Fără enzime catalitice, cascada zilnică a numeroaselor reacții care alcătuiesc viața ar dura prea mult pentru a fi practică. La mașini, convertizoarele catalitice procesează evacuarea motorului pentru a-l face mult mai puțin toxic decât ar fi altfel. O sarcină foarte importantă a chimiștilor este să înțeleagă în detaliu catalizatorii.
Este imposibil să subestimam importanța reacțiilor chimice în lumea în care trăim. Numeroase progrese științifice apar atunci când înțelegem chiar și puțin mai mult despre chimie. Poate că unul dintre cele mai importante pentru civilizația umană este procesul Haber-Bosch – o reacție chimică în care azotul din atmosferă este comprimat și combinat cu alte substanțe chimice într-un mediu supraîncălzit pentru a crea îngrășământ artificial. Fără el, nu am putea crește toate plantele pe care le folosim pentru a ne hrăni, iar populația mondială ar fi mult mai mică și mai înfometată.