Una reazione chimica è un processo mediante il quale i legami negli atomi di sostanze vengono riorganizzati per generare nuove sostanze. La materia non può essere creata o distrutta in una reazione chimica: lo stesso tipo e numero di atomi che compongono i reagenti sono ancora presenti nei prodotti. Il semplice riarrangiamento dei legami chimici produce nuovi composti.
Una reazione chimica prende materiali di partenza, i reagenti, e li trasforma in sostanze diverse, i prodotti. Le identità degli elementi sono le stesse su entrambi i lati dell’equazione, ma sono disposte in sostanze diverse dopo la reazione. Nelle reazioni chimiche, i legami tra gli atomi vengono rotti e riformati, il che significa che gli elettroni condivisi tra gli atomi vengono riorganizzati. Le reazioni possono essere spontanee, o potrebbero verificarsi solo in presenza di una fonte di energia, come il calore o la luce. Inoltre, le macromolecole possono agire come enzimi, catalizzatori che accelerano notevolmente le reazioni chimiche. La maggior parte delle reazioni biologiche richiederebbe troppo tempo per essere completata senza enzimi.
Alcuni tipi di reazioni procederanno in modo irreversibile fino all’uso di tutti i reagenti, mentre altri saranno reversibili, con i prodotti in grado di essere riconvertiti nei reagenti in caso di cambiamento delle condizioni. Alcuni tipi di reazioni chimiche, come reazioni di combustione o reazioni di precipitazione che formano un prodotto solido da due sostanze disciolte, in genere procedono solo in una direzione. Un esempio di reazione irreversibile è la combustione di combustibile idrocarburo in presenza di ossigeno atmosferico, che produce energia termica e leggera, gas di anidride carbonica e acqua. Altre reazioni si verificano in entrambe le direzioni fino a quando i reagenti e i prodotti sono in equilibrio, il punto in cui non vi è alcun cambiamento netto nei reagenti o nei prodotti.
In una reazione chimica, la materia non può essere creata o distrutta, un principio noto come legge della conservazione della materia. Tuttavia, i prodotti che si formano spesso contengono rapporti diversi di atomi rispetto ai reagenti. Un’equazione chimica equilibrata presenta tutti gli atomi su entrambi i lati dell’equazione aggiungendo coefficienti ai prodotti e ai reagenti fino a quando il numero totale di ciascun tipo di atomo è uguale su entrambi i lati dell’equazione. Un coefficiente si applica a tutti gli atomi in un composto, proprio come un coefficiente matematico si applica a tutte le variabili contenute in una parentesi. Ad esempio, la reazione che genera acqua da idrogeno e gas di ossigeno è:
H2 – O2 – H2O
In questa equazione sbilanciata, ci sono due atomi di idrogeno su ogni lato, ma c’è un numero ineguale di atomi di ossigeno. Per bilanciare l’equazione, vengono aggiunti coefficienti in modo che ci siano uguali numeri di atomi di idrogeno e ossigeno su entrambi i lati:
2H2 – O2 – 2H2O
Nell’equazione bilanciata, c’è un totale di quattro atomi di idrogeno e due atomi di ossigeno su ogni lato dell’equazione.
Due processi importanti che alimentano gran parte della vita sulla Terra sono la fotosintesi, che converte la luce solare nello zucchero a sei carbonio glucosio, e la respirazione cellulare, che converte il glucosio in energia utilizzabile. Entrambe queste reazioni essenziali sono, al loro centro, una coppia di reazioni chimiche complementari. Gli organismi fotosintetici utilizzano l’energia della luce solare per convertire l’anidride carbonica e l’acqua in zucchero e ossigeno molecolare. La respirazione cellulare viene quindi utilizzata da tutti gli organismi aerobici per scomporre lo zucchero, a prescindere che lo abbiano prodotto o consumato, in presenza di ossigeno per produrre energia per tutti i loro bisogni di base.
