Un processo endotermico è quello che assorbe energia dall’ambiente circostante. In una reazione chimica, due o più sostanze – i reagenti – interagiscono tra loro per produrre una o più nuove sostanze – i prodotti. Laddove l’energia contenuta nei prodotti è inferiore a quella nei reagenti, l’energia viene rilasciata e la reazione si dice esotermica. Nelle reazioni endotermiche, i prodotti hanno più energia dei reagenti, quindi l’energia viene assorbita dal loro ambiente. Pertanto, nelle reazioni esotermiche, i reagenti perdono calore nell’ambiente circostante, che diventa più caldo, mentre nelle reazioni endotermiche i reagenti acquisiscono calore dall’ambiente circostante, che viene raffreddato.
Una reazione chimica comporta la formazione di legami tra atomi. Poiché un sistema cercherà sempre di raggiungere il suo stato energetico più basso, i legami si formeranno solo se l’energia complessiva degli atomi dopo il legame sarà inferiore a quella che era prima del legame. Pertanto, la formazione di legami chimici rilascia energia. Nelle reazioni chimiche, tuttavia, i legami devono essere rotti prima che si possano formare nuovi composti. La rottura di un legame chimico richiede energia e se è necessaria più energia per rompere i legami all’interno dei reagenti rispetto a quella rilasciata dalla formazione di nuovi legami, la reazione complessiva è endotermica, perché c’è un trasferimento netto di energia dall’ambiente circostante ai reagenti.
Non è necessariamente vero che una reazione che richiede l’applicazione di calore sia una reazione endotermica. A volte è necessario del calore per rompere i legami al fine di avviare la reazione, ma viene rilasciato più calore dai nuovi legami che si formano, quindi la reazione è esotermica. Ad esempio, l’idrogeno (H2) non reagirà con l’ossigeno (O2) a temperatura ambiente; tuttavia, accendere una miscela idrogeno/ossigeno con un fiammifero fa sì che i gas si combinino in modo esplosivo in una reazione altamente esotermica: 2H2 + O2 → 2H2O. Il calore è necessario per rompere i legami all’interno delle molecole di idrogeno e ossigeno, ma viene rilasciato molto più calore dalla formazione dei nuovi legami idrogeno-ossigeno. Si tratta quindi di una reazione esotermica.
Al contrario, la combinazione di ossigeno con azoto (N2) per formare ossido nitrico (NO) è una reazione endotermica. In una molecola di azoto, gli atomi sono tenuti insieme da un triplo legame molto forte. L’energia richiesta per rompere questo legame è maggiore dell’energia rilasciata dalla formazione di ossido nitrico, quindi la reazione è endotermica. Altre reazioni endotermiche includono la combinazione di acqua e anidride carbonica per formare glucosio nella fotosintesi, dove l’energia richiesta proviene dalla luce solare.
La quantità totale di energia dei reagenti o dei prodotti in una reazione chimica è nota come entalpia. È espresso in kilojoule (kJ) di energia ed è rappresentato dal simbolo ΔH. Una reazione chimica provoca una variazione dell’entalpia. Nelle reazioni esotermiche, i prodotti hanno meno energia dei reagenti, quindi la variazione è negativa. Nelle reazioni endotermiche, i prodotti hanno più energia dei reagenti, quindi il cambiamento è positivo.
La reazione esotermica dell’idrogeno e dell’ossigeno per formare l’acqua determina una variazione di entalpia negativa di -285.8 kJ per ogni molecola di acqua formata. La reazione endotermica di azoto e ossigeno per formare ossido nitrico determina una variazione positiva dell’entalpia di +180.5 kJ. Le equazioni chimiche possono essere scritte per includere la variazione di entalpia, indicando così se la reazione è esotermica o endotermica, ad esempio:
N2(g) + O2(g) → 2NO(g); H = +180.5 kJ
Queste equazioni includono gli stati dei reagenti e dei prodotti: s = solido, l = liquido e g = gas.
Le reazioni chimiche endotermiche possono avvenire a temperatura ambiente se c’è un forte aumento di entropia. Un esempio è la reazione di idrossido di bario ottaidrato e tiocianato di ammonio:
Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4SCN(s) → Ba(SCN)2(s) + 10H2O(l) + 2NH3(g)
Questa è una reazione altamente endotermica, e poiché tre molecole di solidi reagiscono per produrre 13 molecole di cui 10 sono liquide e due sono gas, c’è un grande aumento di entropia. Se i reagenti vengono mescolati in un bicchiere e il bicchiere viene posto sopra un blocco con alcune gocce d’acqua su di esso, l’acqua si congela mentre il calore viene assorbito dall’ambiente circostante. Infatti, la temperatura può scendere tra -4 e -22 °F (-20 e -30 °C).