La matière existe sous différents états, dont les états solide, liquide ou gazeux. L'état solide est caractérisé par une structure organisée de la matière à l'échelle microscopique, tandis que l'état gazeux est très désorganisé.
La matière peut changer d'état : on parle alors selon le cas de fusion, solidifcation, liquéfaction, vaporisation, condensation ou sublimation.

Le chimiste Lavoisier, père de la chimie moderne, a étudié les transformations de la matière et a énoncé la célèbre loi de conservation de la matière : "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme".

Les entités chimiques, microscopiques, sont bien trop petites pour être dénombrées une par une. Leur quantité est alors comptée par paquets qu'on appelle des moles.

Les noyaux des atomes, représentés symboliquement par les notations ^A_ZX, sont composés de protons (leur nombre Z s'appelle le numéro atomique) et de neutrons. Tous ces nucléons sont au nombre A appelé le nombre de masse du noyau. On appelle isotopes des noyaux qui appartiennent au même élément chimique, c'est-à-dire qui ont en commun d'avoir le même nombre de protons, mais qui ont un nombre de neutron différent.

De la cire qui fond, l'eau qui bout, le beurre qui se solidifie au frigo : toutes ces observations du quotidien témoignent de transformations physiques. En effet, ce sont des changements du système au cours desquels les espèces chimiques restent identiques (de l'eau, du beurre) mais pas leur état physique (solide, liquide ou gazeux).

Changer d'état physique revient microscopiquement à changer l'agencement des entités les unes par rapport aux autres (leur disposition relative).

Exemples :
Ag(l) → Ag(s) ou H₂O(s) → H₂O(l).

Changer d'état met en jeu un échange d'énergie. Lorsqu'une espèce chimique passe d'un état ordonné vers un état moins ordonné (solide à liquide, ou liquide à gazeux, ou solide à gazeux), le système doit absorber de l'énergie, la transformation est endothermique. Inversement, les transformations d'un état désordonné vers un état plus ordonné sont exothermiques.
L'énergie Q mise en jeu dans la transformation physique d'un système est proportionnelle à la masse m du système qui change d'état : Q = L × m.
L désigne l'énergie massique de changement d'état, en J/g ou J/kg.
Exemple : L_eau = 334 J/g : chaque gramme de glace consomme 334 J pour fondre.

Dans la vie courante, le mot "nucléaire" est souvent associé aux bombes atomiques ou aux centrales électriques. Cela vient du fait que les transformations nucléaires mettent en jeu les noyaux des atomes et libèrent une quantité colossale d'énergie. Comment ces transformations ont-elles lieu ?

▪ Les noyaux isotopes
Parmi tous les noyaux d'atomes qui existent dans l'Univers, certains sont naturellement stables et leur composition atomique reste à jamais la même, tandis que d'autres ont tendance à se transformer. C'est le cas de certains isotopes. Deux noyaux sont isotopes s'ils appartiennent au même élément chimique (par exemple deux isotopes de carbone, ou deux isotopes d'hydrogène) mais ils ne possèdent pas le même nombre de neutrons. Ces deux noyaux partagent donc le même numéro atomique Z, mais pas le même nombre de masse A.
Exemples : ¹⁴₆C et ¹²₆C ou ²₁H et ¹₁H.

▪ Les transformations nucléaires
Lors d'une transformation nucléaire, un noyau-père, instable, est consommé et un ou plusieurs noyaux-fils, plus stables, sont produits. En général, cette transformation s'accompagne de la production de petites particules plus ou moins dangereuses pour les organismes vivants, et aussi de la libération d'énergie et de rayonnements.
Exemples :
²¹²₈₄Po → ²⁰⁸₈₂Pb + ⁴₂He
Dans cet exemple, un noyau-père de polonium 212 est consommé pour produire un noyau de plomb 208 et une particule d'hélium.
¹⁸₉F → ¹⁸₈O + ⁰₁e + ν
Dans cet exemple, un noyau-père de fluor 18 se décompose en un noyau-fils d'oxygène 18, un positron et un neutrino.
²³⁵₉₂U + ¹₀n → ⁹²₃₆Kr + ¹⁴¹₅₆Ba + 3 ¹₀n
Dans cet exemple, un noyau d'uranium 235 est bombardé par un neutron et se scinde en deux noyaux-fils (de krypton et de baryum) et trois neutrons.

L'énergie libérée par une transformation nucléaire est très importante. Cette énergie est mise en jeu dans les centrales nucléaires pour la convertir en énergie électrique. Elle est aussi mise en jeu au cœur des étoiles où les noyaux servent de carburant. Chaque seconde, le Soleil convertit 10²⁶ J d'énergie nucléaire sous forme de rayonnements et de chaleur : c'est l'énergie consommée sous forme de nourriture (calories) par la population mondiale (8 milliards) pendant 4 millions d'années !
Plus modestement, une centrale nucléaire convertit en moyenne 10⁹ J chaque seconde.

▪ La réaction chimique :
La respiration, c'est une transformation chimique. La cuisson du pain dans le four, c'est une transformation chimique. La combustion de l'essence dans les moteurs, aussi. La batterie du téléphone qu'on recharge : encore une transformation chimique. La formation de la rouille, la digestion, le détartrage des robinets, la combustion du bois dans la cheminée, etc !

Omniprésentes dans le quotidien, les transformations chimiques désignent les transformations d'un système pendant lesquelles certaines espèces chimiques sont consommées (les réactifs) et d'autres sont fabriquées (les produits).
Exemple : 2 C₈H₁₈(l) + 25 O₂(g) → 8 CO₂(g) + 9 H₂O(g)
Cette écriture illustre la transformation de combustion de l'essence (l'octane de formule C₈H₁₈) en présence de dioxygène. Ce sont les réactifs. Lorsque la transformation se déroule, il y a production de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau. La transformation observée est modélisée par une réaction chimique et l'écriture de l'exemple est l'équation de la réaction chimique.
Les nombres devant les formules (ici 2, 25, 8 et 9) sont appelés nombres stœchiométriques. Ils indiquent les proportions dans lesquelles les espèces chimiques sont consommées ou produites. Dans notre exemple, lorsque 2 molécules d'octane sont consommées, 25 molécules de dioxygènes sont consommées et 8 molécules de dioxyde de carbone et 9 molécules d'eau sont produites.

Une réaction chimique se déroule jusqu'à ce que l'un des réactifs ait été complètement consommé : il n'en reste plus. Ce réactif totalement consommé est appelé le réactif limitant de la réaction.

Illustrons à l'aide d'un exemple plus courant :
Un opticien fabrique des lunettes. Pour cela, il assemble 1 monture avec 2 verres pour former 1 paire de lunettes :
1 monture + 2 verres → 1 paire.
Cet opticien possède 13 montures et 27 verres. Comme il consomme 2 verres pour chaque monture, il arrêtera de travailler lorsqu'il aura utilisé les 13 montures et donc 26 verres : il ne lui restera aucune monture mais il restera 1 verre. Dans ce cas, les montures jouent le rôle du réactif limitant. Si cette fois, l'opticien possède 11 montures et 8 verres, ce sont les verres qui sont réactifs limitants. Combien restera-t-il de montures quand il aura terminé son travail ?

Il arrive que dans certains systèmes chimiques, une transformation ait lieu mais sans engager toutes les espèces chimiques présentes : certaines réagissent et d'autres ne participent pas à la réaction. Pour ces dernières, on parle d'espèce chimique spectatrice : leur quantité ne diminue pas et n'augmente pas non plus dans la réaction.
Certaines réactions chimiques libèrent de l'énergie, elles sont exothermiques. D'autres en consomment, elles sont endothermiques.

▪ La synthèse chimique :
Certaines réactions chimiques sont exploitées par le génie humain dans l'objectif de produire certaines espèces chimiques intéressantes : on parle alors de synthèse chimique. Elles permettent soit d'obtenir des espèces chimiques inédites, soit d'obtenir des espèces chimiques déjà connues mais en quantité plus importante ou bien avec davantage de respect de l'environnement en évitant d'exploiter des espèces vivantes animales ou végétales.
Une synthèse chimique se déroule à l'aide d'un montage à reflux qui permet d'accélérer la transformation grâce au chauffage mais en évitant de perdre les vapeurs formées grâce à un système réfrigérant.