Механи́зм хими́ческой реа́кции, детальное описание пути, ведущего от реагентов к продуктам реакции, включающее наиболее полную характеристику состава, строения, энергии и других свойств промежуточных соединений и переходных состояний. Установление механизма химической реакции является центральной задачей химической кинетики. Механизм простой (элементарной, одностадийной) химической реакции представляет собой способ превращения реагентов в продукты, учитывающий перемещение атомов в процессе осуществления элементарного акта и роль различных квантовых состояний реагирующих частиц в реакции. Для сложных химических реакций механизм есть совокупность элементарных стадий, связанных общими реагентами и промежуточными продуктами; такая совокупность стадий объективно составляет реальный химический процесс. Приемлемый механизм определённой реакции (и, возможно, несколько альтернативных механизмов, не исключаемых доказательством) должен соответствовать стехиометрии и кинетике реакции, а также всем остальным имеющимся экспериментальным данным. Предполагаемая исследователем совокупность элементарных стадий, объясняющая известные кинетические закономерности, представляет собой кинетическую схему реакции. Эта схема может быть полной и обоснованной во всех деталях, упрощённой, верной в ограниченных условиях проведения эксперимента, содержать гипотетические стадии и т. д.

Для того чтобы охарактеризовать механизм, используют различные классификации химических реакций. Одностадийные реакции по числу превращающихся в продукты частиц подразделяют на мономолекулярные (например, распад диметилпероксида на радикалы по схеме $CH_3OOCH_3→2CH_3O^•$), бимолекулярные (например, конденсация бутадиена с ненасыщенными соединениями $CH_2\!=\!CH\!−\!CH\!=\!CH_2 + CH_2\!=\!CH\!−\!R→3\text‐\text R‐циклогексен$) и тримолекулярные (например, окисление оксида азота в диоксид $2NO + O_2→2NO_2$); участие в элементарном акте более трёх молекул маловероятно.

По типу частиц, участвующих в простой или сложной реакции, реакции подразделяют на молекулярные (например, дегидрогалогенирование этилхлорида $CH_3CH_2Cl→C_2H_4 + HCl$), ионные (например, гидролиз метилхлорида $CH_3Cl + OH^- → 5CH_3OH + Cl^-$), реакции с участием свободных радикалов (например, хлорирование метана $Cl^•+ CH_4 → HCl + CH^{•}_3$) и реакции с переносом электрона (окислительно-восстановительные; например окисление солей железа $Fe^{2+} + H_2O_2→ Fe^{3+} + OH^{–} + HO^{•}$).

Химические реакции могут протекать в объёме одной фазы (гомогенные реакции) или на границе раздела фаз (гетерогенные реакции); во втором случае реагенты находятся в разных фазах (например, в жидкой и твёрдой при алюминотермическом восстановлении оксидов, в жидкой и паровой при магниетермическом восстановлении TiC₄). В свою очередь, гомогенные реакции подразделяются на реакции в газовой фазе (газофазные; например, горение этана $2C_2H_6 + 7O_2→ 4CO_2 + 6H_2O$), в жидкой фазе (жидкофазные; в этих процессах важное влияние на механизм оказывает природа растворителя) и в твёрдых телах (твердофазные; особенности механизма этих процессов связаны, в частности, с малой скоростью процессов переноса).

Реагенты могут подвергаться разнообразным воздействиям, которые также определяют механизм реакции. В зависимости от способа воздействия на реагенты выделяют термические реакции (тепловое воздействие на реагирующую систему, например процессы термического крекинга), каталитические процессы (реакция протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора), фотохимические реакции (под воздействием света), радиационно-химические реакции (под воздействием ионизирующего излучения), электрохимические (под воздействием электрического тока, см. Электродные процессы), механохимические (при механическом воздействии, см. в ст. Механохимия), а также под действием ультразвука, ударной волны и пр. Особое место среди сложных химических реакций занимают цепные реакции, спецификой которых является многократно повторяющийся цикл элементарных реакций продолжения цепи; например, реакция H₂ c Cl₂ включает следующий цикл элементарных реакций: $Cl^{•} + H_2→HCl + H^{•}$, $H^{•} + Cl_2→HCl + Cl^{•}$.

Методы изучения механизма химической реакции зависят от строения реагентов и природы промежуточных продуктов. При изучении механизма химической реакции прежде всего устанавливают, является ли реакция одностадийной или сложной, какова природа промежуточных продуктов, участвующих в совокупном процессе. Одностадийная реакция всегда подчиняется закону действующих масс. Для ионных реакций характерны такие признаки, как электропроводность раствора, где протекает реакция, влияние на скорость реакции полярного растворителя и нейтральных ионов, не участвующих в химическом процессе. Радикальные цепные реакции ускоряются под действием света и в присутствии инициаторов, генерирующих свободные радикалы, и замедляются в присутствии ингибиторов; поскольку торможение этих реакций происходит вследствие столкновений реагирующих частиц со стенками реакционного сосуда, предварительная обработка стенок также влияет на скорость процесса. Для цепных разветвлённых реакций характерны критические явления и пределы протекания процесса по давлению, температуре и соотношению реагентов. Молекулярные реакции менее чувствительны ко всем перечисленным выше факторам. О механизме реакции можно предварительно судить по её конечным продуктам. Однако следует иметь в виду, что один и тот же продукт может получаться в результате реакций, протекающих по разным механизмам.

Для построения кинетической схемы необходимо идентифицировать каждую стадию, изучить её и охарактеризовать константой скорости и энергией активации. Для многостадийной реакции на основе полной кинетической схемы с помощью компьютерного моделирования проводится расчёт кинетики процесса, а затем его сопоставление с экспериментом. Для изучения быстрых реакций (процессы с участием радикалов и ионов протекают за время 10^–3–10^–8 с) разработаны специальные кинетические методы – импульсный фотолиз, струевые кинетические методы, метод температурного скачка и т. д. Широкое применение получили теоретические квантово-химические методы исследования разнообразных реакций. Как эксперимент, так и квантово-химические методы позволяют измерить (рассчитать) значения константы скорости или энергии активации, характеризующие среднестатистическую реакционную способность частиц, поскольку каждая частица участвует в реакции со своей индивидуальной скоростью поступательного движения и в своём квантовом состоянии. Для детального изучения реакционной способности частиц в разных квантовых состояниях и с определённой (фиксированной) кинетической энергией – детального изучения элементарного акта химической реакции – используются метод молекулярных пучков, метод ударных труб, фемтосекундная спектроскопия, метод молекулярной динамики и др.