化学反应是将化学物种转化为其他化学物种的过程。起始物质称为反应物，生成的物质称为产物。化学反应是化学的核心，通常涉及原子的重新排列、化学键的变化或电子的转移。反应可以通过一次基元事件发生，也可以经过一系列步骤完成。广义的化学反应定义还包括实验上可观测到的同一分子不同构象之间的相互转化。(goldbook.iupac.org)
化学变化与物理变化
化学变化会改变物质的化学本质，而物理变化会改变形状或物态等性质，却不一定改变其化学组成。例如，冰融化后仍然是水；而将水分解为氢气和氧气，则会产生不同的物质。物理变化和化学变化也可以同时发生，例如反应生成气体或固体沉淀时。(openstax.org)
颜色变化、气体逸出和放热可以为反应的发生提供证据，但仅凭某种观察现象，并不能在所有情况下判断是否发生了化学反应。沸腾也会产生气泡，物理过程也可以伴随热量交换。因此，判断化学转化是否发生，需要确认化学物种发生了变化，而不能仅依赖可见的现象。(openstax.org)
方程式与定量关系
化学方程式用化学式表示反应物和产物，并用箭头指示转化方向。配平后的方程式两侧，各元素的原子数分别相等。涉及带电物种的方程式还必须满足总电荷守恒。配平时改变的是化学式前的系数，而不是决定物质本身组成的下标。(openstax.org)
甲烷完全燃烧的方程式为：
这些系数表明，一个甲烷分子与两个氧分子反应，生成一个二氧化碳分子和两个水分子。它们也表示相应的物质的量之比。这些定量关系构成了化学计量学的内容，将反应物的消耗与产物的生成联系起来。配平后的方程式给出了总体物料衡算关系，但仅凭方程式本身，无法确定反应的路径或速率。(openstax.org)
(s)、(l)、(g) 和 (aq) 等符号分别表示固体、液体、气体和水溶液。对于溶液中的反应，净离子方程式省略了反应前后保持不变的旁观离子，只列出参与净转化的物种。(openstax.org)
主要反应类型
反应分类依据的是反应的共同特征，并不存在唯一且互斥的分类体系。三类广泛使用的反应类型是沉淀反应、酸碱反应和氧化还原反应。(openstax.org)
- **沉淀反应**使溶解的物种形成固体。例如，银离子和氯离子可以结合生成固体氯化银：。
- **酸碱反应**按照布朗斯特–劳里定义，涉及质子转移。酸提供质子，碱接受质子。水溶液中强酸与强碱的中和反应可表示为 。
- **氧化还原反应**涉及氧化态的变化。氧化对应于失去电子，还原对应于得到电子；这两个过程同时发生。甲烷燃烧就是氧化还原反应。(openstax.org)
这些类别描述了化学变化的不同方面。其他分类方式则侧重于反应物和产物的数目及组合方式，或特定的结构转化，而不是质子或电子的转移。(openstax.org)
能量与热力学方向
反应会与周围环境交换能量。在恒压且只有压力–体积功的条件下，交换的热量等于焓变 。放热反应释放热量， 为负；吸热反应吸收热量， 为正。(openstax.org)
仅凭是否放热，不能判断反应在热力学上是否有利。在恒定温度和压力下，吉布斯自由能提供了相应的判据：
其中， 为绝对温度， 为系统的熵变。在指定条件下，反应的自由能变化为负，意味着反应向正方向进行在热力学上有利。热力学判断的是变化是否有利，而不是变化发生得有多快。(openstax.org)
反应速率与机理
化学动力学研究反应速率及其对条件的依赖关系。反应速率可能取决于反应物浓度、温度、物态和催化剂。对于通过粒子碰撞发生的反应，有效碰撞需要合适的取向和足够的能量；仅仅让反应物接触，并不保证发生转化。(openstax.org)
在阿伦尼乌斯描述中，活化能表征速率常数对温度的依赖关系，通常也与反应能垒联系起来。反应系统会经过过渡态，即反应路径上的一种高能构型。许多反应通过多个基元步骤进行，而不是经由一次碰撞完成。(openstax.org)
反应机理描述这些步骤，以及其中生成并随后被消耗的中间体。总反应的速率方程通常需要通过实验确定，其中浓度项的指数一般不能直接从配平后的方程式中得出。(openstax.org)
平衡与催化
可逆反应可以达到化学平衡，此时正、逆反应速率相等。虽然分子层面的转化仍在继续，但反应物和产物的浓度在宏观上保持不变。速率相等并不意味着浓度相等。(openstax.org)
催化通过提供动力学能垒更有利的另一种反应机理来加快反应。催化剂参与中间步骤，但在整个反应过程中会再生。它不改变反应的自由能差或平衡常数，因此能加快达到平衡的过程，却不改变平衡组成。催化剂包括固体表面、溶解的物种以及生物体内的酶；酶的专一性有助于调控生命系统中的反应。(openstax.org)