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化学反应可以把一种物质变成另一种物质。在化学反应过程中，原子以新的方式相互连接，生成新的化学键，从而形成新的物质。
将两种或两种以上的物质在适当的条件下混合在一起，就有可能发生化学反应。参与反应的物质称为“反应物”。在反应过程中，反应物的原子相互分离并重新组合，形成一个或多个新物质。化学家称这些新物质为“生成物”。反应物可能是含有一种元素的原子的单质，也可能是由不同类型原子组成的化合物。生成物可以是单质，也可以是化合物。反应过程中不会产生新的原子，原子也不会凭空消失，只是重新组合了。反应物中原子的数量和生成物中原子的数量是相等的。
化学家用化学方程式来表示化学反应。化学方程式表明了反应物、生成物和反应条件，各物质前的化学计量数还反映了反应物、生成物之间量的关系。煤在空气中燃烧是一个简单的化学反应。煤主要是由碳元素组成的。碳（C）与空气中的氧气（O 2 ）反应，生成二氧化碳（CO 2 ）。用化学方程式来表示这种反应是：
C+O 2 =CO 2
碳与氧的反应会放出大量的热和光。自古以来，人们就把煤作为燃料燃烧，因为煤燃烧时会释放出很多热量。然而，有些反应并不产生热量，反而需要在加热条件下才能发生。例如，碳酸钙（CaCO 3 ）被加热时，会分解为氧化钙（CaO）和二氧化碳（CO 2 ）。然而，如果没有加热，这个反应就不会发生。此反应的化学方程式为：
植物的光合作用是最重要的化学反应之一。植物利用太阳的能量将水和二氧化碳变成糖和氧气。
CaCO 3 =CaO+CO 2
反应会产生热量（放热）还是会吸收热量（吸热），取决于反应物和生成物中的化学键。这些化学键使原子结合在一起。在化学反应过程中，反应物中的一些化学键被打破，形成新的化学键，从而形成生成物。
反应需要能量来打破化学键，当新的化学键形成时，能量就会被释放出来。
破坏化学键的能量和形成新化学键时释放的能量通常是不相等的。当一个反应完成后，如果新化学键形成时释放的能量比打破旧的化学键需要的能量多，那么该反应就会以热和光的形式释放出多余的能量。如果新化学键形成时释放的能量比破坏旧化学键所需的能量少，那么该反应就需要额外的能量才能发生。
原子可以通过多种方式结合在一起。化学键主要有三种类型——离子键、共价键和金属键。原子成键的方式取决于它们最外电子壳层上有多少电子。有些原子间会形成很强的键，需要很高的能量才能打破这些键。这是因为它们是由两个化学反应性很强的原子结合产生的。原子的化学反应性取决于其电负性的大小，电负性是衡量一个原子对其电子和对其他原子的电子的吸引力的参数。如果一个原子的最外电子壳层上只剩下几个空缺，这个原子就会强烈地吸引其他原子的电子。非金属元素的原子通常具有很大的电负性。氟是电负性最大的元素。它的最外电子壳层只需要再增加一个电子，就可以变得饱和，所以它强烈地吸引其他原子的电子，这使得氟很容易与其他元素发生反应。
试试这个
很有趣的气泡实验
你可以使用家中常见的两种化合物来做化学实验。这个化学反应很容易，也很安全。把一些醋（乙酸）倒入在一个透明的玻璃杯里，再往其中加入一勺小苏打（碳酸氢钠）。这两种化合物便会开始反应。碳酸氢钠与乙酸反应生成三种新的化合物——乙酸钠、水和二氧化碳。水和乙酸钠在玻璃杯中形成溶液，而二氧化碳会形成气泡逸出。
电负性极小的元素也可以具有很强的化学反应性。这些元素原子的最外电子壳层上只有几个电子。这种元素通常是金属元素。它们对最外电子壳层上电子的吸引力很小，这使它们具有正电性。正电性最大的元素，如铯和钫，在它们的最外电子壳层上只有一个电子，它们很容易失去这个电子，从而变得稳定。
当具有电负性的原子和具有正电性的原子反应时，它们会形成离子键。离子是带电的原子。带正电荷的离子是失去一个或多个电子的原子。原子获得电子后变成负离子。离子电荷的大小取决于它失去或获得了多少电子。例如，氯（Cl）原子获得一个电子变成氯离子（Cl - ），而钙原子失去两个电子变成钙离子（Ca 2+ ）。带电荷的物质被带有相反电荷的物质吸引。这种吸引力能使电子绕着原子核旋转。正是这种吸引力把阳离子和阴离子结合在一起，形成了离子键。
安托万·拉瓦锡
法国科学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier，1743—1794）是现代化学的奠基人之一，他发现了氧元素，还证明了在化学反应中，原子不会凭空产生，也不会凭空消失，只能简单地重新排列形成新的化合物。拉瓦锡进行了大量的实验，仔细地称量了反应物的质量和所有生成物的质量。结果表明，在反应前后，反应物和生成物的总质量是一样的。这就是质量守恒定律。拉瓦锡出生于巴黎的一个贵族家庭。他用自己的收入来资助他的研究工作。1789 年法国大革命后，拉瓦锡被指控从事反革命活动，并被定罪。
有些元素的原子既不是正电性的，也不是电负性的，这是因为它们最外电子壳层上的电子数量为其饱和时的一半。这样的原子失去或获得一样多的电子，均能拥有一个完整的最外电子壳层。
例如，碳原子的最外电子壳层上有四个电子，要变得稳定，碳原子有两种选择：可以从其他原子那里得到四个电子，也可以失去它最外层的四个电子。但是，两者都不太可能实现，因为都需要大量的能量。所以，碳和其他原子通过共享电子来得到一个完整的最外电子壳层。
离子键
普通食盐（氯化钠）是由离子键连接在一起的化合物。当离子键形成时，钠原子失去最外电子壳层上的一个电子，变成带正电荷的钠离子（Na + ）。失去的这个电子向氯原子移动，并占据氯原子最外电子壳层上最后的空位，使氯原子成为带负电荷的氯离子（Cl - ）。这两种离子所带的电荷相反，因此会相互吸引，从而使两种离子结合在一起。
共享电子位于两个原子的最外电子壳层中，这就是所谓的共价键。每个共享的电子都被两个原子的原子核所吸引。这种吸引力把原子结合在一起。
一个共价键涉及两个被共享的电子。有些原子一次可以形成多个共价键。一个碳原子可以与其他四个原子同时形成四个共价键。有时，两个原子共用两对电子（四个电子），这样形成的键叫作“双键”。碳原子甚至还可以形成三键。
金属大多数是坚硬的固体，可以弯曲或拉伸而不会断裂。它们的导热和导电性能良好。这些特性是由金属元素原子的结合方式决定的。
金属元素原子之间的键被称为“金属键”。金属键是指金属元素原子共用其部分或全部外层电子而形成的化学键。大多数金属元素的原子只有一个或两个外层电子，只有一些金属元素（如铅、铋和锡）的原子，拥有较多的外层电子。当金属元素的原子聚集在一起时，每个原子的外层电子都试图从原子中挣脱出来。这些自由电子形成了一片“电子海洋”，可以自由移动，并被所有的原子共享。金属元素的原子内带正电荷的原子核会被周围带负电荷的“电子海洋”吸引。这种吸引力使金属的原子固定在一起。
离子键、共价键和金属键将原子结合在一起。然而，还有其他的力使原子和分子结合在一起，但大多数很弱。例如，电子的随机运动会产生微小的作用力。原子或分子中的电子一般是均匀分布的，然而，它们是不断移动的，有时会偶然地同时聚集在一个地方。这使得原子或分子的一端带负电荷，而另一端带正电荷。这些电荷存在的时间很短，但是它们会产生吸引力或斥力，从而对周围的原子产生影响。
橡皮筋里的原子结合成长的、卷曲的分子。它们通过共价键相互连接。当橡皮筋被拉伸时，长的、卷曲的分子就会展开，直到共价键阻止其进一步拉伸。橡皮筋上的张力会使共价键断开，从而导致橡皮筋断裂。
这些力就是分子间力，被称为“范德瓦耳斯力”，是以荷兰物理学家约翰内斯·范德瓦耳斯（Johannes van der Waals，1837—1923）的名字命名的。他首先认识到了这些力的重要性，并阐述了它们对气体和液体行为的影响。大分子比小分子产生的范德瓦耳斯力更强，因此大分子的熔点和沸点比小分子的高。尽管范德瓦耳斯力很小，但它们将分子结合在一起，使它们之间的键更难断开。
有些分子的末端总是带有电荷。这些带电区域被称为“偶极”。当分子中一个原子的电负性大于其他原子的电负性时，就会产生偶极。因此，分子中所有的外层电子都被那个原子所吸引，导致更多的电子聚集在那一端，使得那一端带上负电荷，另一端带上正电荷。
水分子形成氢键
由于电子在每个原子核周围的排列方式不同，所以水中的氢原子略带正电荷，而氧原子略带负电荷。异性电荷相互吸引，使水分子松散地结合在一起。
带电荷的偶极被附近分子上带相反电荷的偶极所吸引。偶极使分子相互吸引，从而使它们以一种重复的模式排列，即带相反电荷的偶极彼此相邻。
氢键就是偶极吸引的一个例子。顾名思义，这些键总是和氢原子有关。氢与电负性大的元素（如氟）结合时，就经常会形成一个正极。氢原子唯一的电子被另一个原子拉走了，导致氢原子只剩下带正电荷的原子核。水就是产生氢键的化合物之一。水分子中的氧原子把电子从氢原子那里拉走了，使得氧原子带一点负电荷，氢原子带一点正电荷。带正电荷的氢原子被另一个水分子的负极吸引，从而形成氢键。
水分子中的氢键保证了水在地球表面正常情况下呈液态。如果没有这些键，水分子之间就不会这么紧密地结合在一起，水的沸点也就会低得多，那么在正常情况下，水就变成了气体。
漂浮的冰
水是一种不寻常的物质。大多数物质会热胀冷缩。然而，水变成冰时体积会变大，因此，冰的密度比水小。这就导致了池塘和河流中的水总是自上而下结冰，也使得巨大的冰山可以漂浮在海面上。由于氢键的存在，同等质量的冰的体积比水的大。当水结冰时，这些化学键迫使分子形成间隔很宽的晶体结构。当冰融化时，氢键的作用减弱，氢键不断地断裂和重新形成，使得分子相互混合得更紧密，体积也随之变小。
电子会在分子之间产生微弱的作用力，而它在分子中的位置也会影响分子的形状。异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥。分子中的电子互相排斥，它们之间的距离越远越好。原子最外电子壳层上的电子会以相等的力互相排斥。然而，当一个电子被另一个原子共用以形成化学键时，这个电子就不能强烈地排斥其他电子了。因此，共享电子对经常被另一对未成键的电子推开。外层电子的不均匀分布会影响分子的形状。双原子分子，如氯气（Cl 2 ）分子，总是形成一条直线，可以被认为是一个小型哑铃。然而，当分子中的化学键超过一个时，分子的形状就会变得更加复杂。
甲烷分子的中心有一个碳原子，四个氢原子连在碳原子上。碳原子的最外电子壳层上有四个电子，每个电子都和一个氢原子形成一个共价键。因此，所有的电子对都是相同的，它们以相等的力互相排斥。其结果是甲烷分子形成了一个类似于金字塔的四面体结构。
然而，水分子是由未成键电子的作用力形成的。每个分子由两个氢原子和一个氧原子通过共价键连接而成。这个分子不是直线的，而是弯的，两个氢原子都在氧原子的同一侧。这是因为水分子化学键中的两对共享电子被氧原子的其他六个电子所排斥。
原子也可以形成具有复杂形状的分子。碳原子可以形成六边形和五边形交替连接的球形分子。这些分子被称为“富勒烯”。因为美国工程师和建筑师巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller，1895—1983）设计了与这些碳分子结构相同的穹顶，所以科学家以他的名字命名了这种分子。碳也可以形成六边形的薄片，然后卷起来形成空心管。