I cambiamenti di fase nella materia sono suddivisi in due categorie fondamentali: endotermici ed esotermici. Esotermico significa “calore esterno” in greco, al contrario di “calore interno” di endotermico. Le reazioni endotermiche richiedono calore, o energia, per formare nuovi legami chimici, come quando un cubetto di ghiaccio viene sciolto in un liquido e poi fatto bollire in vapore. Le reazioni esotermiche, invece, creano più energia di quella necessaria per facilitarle, facendo salire la temperatura immediatamente intorno alla reazione. Ciò accade quando la pioggia si forma in una nuvola e anche quando la pioggia si congela in ghiaccio sul terreno.
Alcune delle reazioni esotermiche più illustrative coinvolgono le fiamme. Fiammiferi, fuochi da campo, fuochi d’artificio e razzi utilizzano queste reazioni per produrre energia utilizzata per una varietà di scopi. Molti facilitano reazioni endotermiche come fare il pane, cucinare la zuppa o scaldarsi le mani. Tuttavia, le reazioni esotermiche non emettono solo calore; spesso richiedono almeno una fornitura iniziale di energia che fornisce quella che viene definita energia di attivazione. Nelle reazioni esotermiche, invece, l’energia investita sarà sempre inferiore all’energia totale prodotta; la scintilla non sarà mai più grande della fiamma.
Altre reazioni di questo tipo sono più difficili da sperimentare. Quando la ruggine si forma sul metallo, un’altra reazione esotermica comune, non sembra che il processo sprigioni calore. Il calore è stato rilasciato, tuttavia; per diverse ore, nelle giuste condizioni di umidità, luce e temperatura, la commistione di ferro e ossigeno produce ossido di ferro e un minimo di calore.
Gli scienziati usano uno strumento chiamato calorimetro per misurare la quantità di calore prodotta da un cambiamento di fase o da una reazione chimica. Ciò comporta la conduzione della reazione a bagnomaria per misurare la variazione di temperatura prodotta. I risultati indicano se una data reazione è endotermica o esotermica.
Gli insegnanti di chimica spesso impiegano uno o più esperimenti attentamente controllati per illustrare i principi delle reazioni esotermiche. La lezione può essere semplice come accendere un fiammifero e spiegare come una scintilla accende una reazione esotermica tra zolfo e ossigeno per produrre calore. Un altro esperimento comune prevede la miscelazione di acqua e cloruro di calcio, un agente antigelo utilizzato anche negli impacchi riscaldanti portatili, quindi la misurazione della quantità di calore prodotta dalla reazione.
Molti scienziati forensi studiano esaurientemente le reazioni esotermiche. Per prima cosa devono imparare come avvengono le varie reazioni chimiche e quanto calore viene prodotto. In quanto investigatori, questa conoscenza li prepara meglio a scoprire cosa ha causato un incendio o un’esplosione e a determinare il modo migliore per estinguerli in futuro.