Химическая реакция – это процесс, с помощью которого связи в атомах веществ перестраиваются для генерации новых веществ. Материя не может быть создана или уничтожена в результате химической реакции – тот же тип и количество атомов, которые составляют реакционные средства, все еще присутствуют в продуктах. Просто перегруппировка химических связей производит новые соединения.
Химическая реакция принимает стартовые материалы-реагенты- и изменяет их в различные вещества-продукты. Элементов одинаковы по обе стороны уравнения, но после реакции они попадают в другие соединения. В химических реакциях связи между атомами ломаются и реформируются, что означает, что общие электроны между атомами перестраиваются. Реакции могут быть спонтанными, или они могут происходить только в присутствии источника энергии, например, тепла или света. Кроме того, макромолекулы могут выступать в качестве ферментов-катализаторов, которые значительно ускоряют химические реакции. Большинство биологических реакций потребовали бы слишком много времени для завершения в отсутствии ферментов.
Некоторые типы реакций будут действовать необратимо, пока все реагирующие не будут использованы, в то время как другие обратимы, с продуктами, которые могут быть преобразованы обратно в реагенты, если условия меняются. Некоторые виды химических реакций, такие как реакции горения или реакции осадков, которые образуют твердый продукт из двух растворенных веществ, как правило, продолжаются только в одном направлении. Примером необратимой реакции является сжигание углеводородного топлива в присутствии атмосферного кислорода, который производит тепловую и световую энергию, углекислый газ и воду. Другие реакции происходят в любом направлении до тех пор, пока реагенты и продукты находятся в равновесии – точка, в которой нет явных изменений в реагентах или продуктах.
При химической реакции материя не может быть создана или уничтожена – этот принцип известен как Закон сохранения материи. Тем не менее, продукты, которые формируются, часто содержат другие соотношения атомов по сравнению с реагентами. Сбалансированное химическое уравнение содержит все атомы по обе стороны уравнения, включая коэффициенты при продуктах и реагентах, такие, что общие количества каждого типа атома равны по обе стороны уравнения. Коэффициент применяется ко всем атомам соединения, подобно математическому коэффициенту, применимому ко всем переменным, содержащимся в скобках. Например, реакция образования (генерации) воды из водорода и кислорода (газов):
H2 + O2 → H2O
В этом несбалансированном уравнении с каждой стороны содержится по два атома водорода, но количества атомов кислорода неравны. Чтобы сбалансировать уравнение, коэффициенты добавляются так, что оказывается равное количество атомов водорода и кислорода с обеих сторон:
2H2 + O2 → 2H 2O
В сбалансированном уравнении в общей сложности присутствует четыре атома водорода и два атома кислорода на каждой стороне уравнения.
Два важных процесса, которые буквально поддерживают жизнь на Земле, – это фотосинтез, который преобразует солнечный свет в шестиуглеродную глюкозу, и клеточное дыхание, которое преобразует глюкозу в полезную энергию. Оба этих процесса, по своей сути, всего лишь пара дополнительных химических реакций. Фотосинтез использует энергию солнечного света для преобразования углекислого газа и воды в глюкозу и молекулярный кислород. Клеточное дыхание затем используется всеми аэробными организмами, чтобы расщепить глюкозу, независимо от того, создают ли они её, или потребляют – в присутствии кислорода для производства энергии для всех своих основных потребностей.
