Ein endothermer Prozess ist ein Prozess, der Energie aus seiner Umgebung aufnimmt. Bei einer chemischen Reaktion interagieren zwei oder mehr Stoffe – die Reaktanten – miteinander, um einen oder mehrere neue Stoffe – die Produkte – zu erzeugen. Ist die in den Produkten enthaltene Energie geringer als die in den Reaktanten, wird Energie frei und die Reaktion wird als exotherm bezeichnet. Bei endothermen Reaktionen haben die Produkte mehr Energie als die Reaktanten, sodass Energie aus ihrer Umgebung aufgenommen wird. So geben bei exothermen Reaktionen die Reaktanden Wärme an ihre Umgebung ab, die heißer wird, während bei endothermen Reaktionen die Reaktanten Wärme aus ihrer Umgebung gewinnen, die gekühlt wird.
Eine chemische Reaktion beinhaltet die Bildung von Bindungen zwischen Atomen. Da ein System immer versuchen wird, seinen niedrigsten Energiezustand zu erreichen, bilden sich Bindungen nur dann, wenn sie dazu führen, dass die Gesamtenergie der Atome nach der Bindung niedriger ist als vor der Bindung. So wird bei der Bildung chemischer Bindungen Energie frei. Bei chemischen Reaktionen müssen jedoch Bindungen aufgebrochen werden, bevor neue Verbindungen entstehen können. Das Aufbrechen einer chemischen Bindung erfordert Energie, und wenn mehr Energie zum Aufbrechen von Bindungen innerhalb der Reaktanten benötigt wird, als durch die Bildung neuer Bindungen freigesetzt wird, ist die Gesamtreaktion endotherm, da eine Nettoenergieübertragung von der Umgebung auf die Reaktanten stattfindet.
Es ist nicht unbedingt der Fall, dass eine Reaktion, die die Zufuhr von Wärme erfordert, eine endotherme Reaktion ist. Manchmal ist Wärme erforderlich, um Bindungen aufzubrechen, um die Reaktion zu starten, aber durch die neu gebildeten Bindungen wird mehr Wärme freigesetzt, sodass die Reaktion exotherm ist. Beispielsweise reagiert Wasserstoff (H2) bei Raumtemperatur nicht mit Sauerstoff (O2); Das Anzünden eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs mit einem Streichholz führt jedoch dazu, dass sich die Gase in einer stark exothermen Reaktion explosionsartig verbinden: 2H2 + O2 → 2H2O. Um die Bindungen innerhalb der Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle aufzubrechen, wird Wärme benötigt, aber durch die Bildung der neuen Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen wird wesentlich mehr Wärme freigesetzt. Es handelt sich daher um eine exotherme Reaktion.
Im Gegensatz dazu ist die Verbindung von Sauerstoff mit Stickstoff (N2) zu Stickoxid (NO) eine endotherme Reaktion. In einem Stickstoffmolekül werden die Atome durch eine sehr starke Dreifachbindung zusammengehalten. Die zum Aufbrechen dieser Bindung erforderliche Energie ist größer als die Energie, die bei der Bildung von Stickoxid freigesetzt wird, sodass die Reaktion endotherm ist. Andere endotherme Reaktionen umfassen die Kombination von Wasser und Kohlendioxid, um bei der Photosynthese Glukose zu bilden, wobei die erforderliche Energie aus Sonnenlicht stammt.
Die Gesamtenergiemenge der Reaktionspartner oder Produkte einer chemischen Reaktion wird als Enthalpie bezeichnet. Sie wird in Kilojoule (kJ) Energie ausgedrückt und durch das Symbol ΔH dargestellt. Eine chemische Reaktion führt zu einer Enthalpieänderung. Bei exothermen Reaktionen haben die Produkte weniger Energie als die Reaktanten, sodass die Änderung negativ ist. Bei endothermen Reaktionen haben die Produkte mehr Energie als die Reaktanten, die Änderung ist also positiv.
Die exotherme Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser führt zu einer negativen Enthalpieänderung von -285.8 kJ pro gebildetem Wassermolekül. Die endotherme Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff zu Stickoxid führt zu einer positiven Enthalpieänderung von +180.5 kJ. Chemische Gleichungen können so geschrieben werden, dass sie die Enthalpieänderung einschließen und damit angeben, ob die Reaktion exotherm oder endotherm ist, zum Beispiel:
N2(g) + O2(g) → 2NO(g); ΔH = +180.5 kJ
Diese Gleichungen beinhalten die Zustände der Reaktanten und Produkte: s = fest, l = flüssig und g = gasförmig.
Endotherme chemische Reaktionen können bei Raumtemperatur ablaufen, wenn die Entropie stark zunimmt. Ein Beispiel ist die Reaktion von Bariumhydroxid-Octahydrat und Ammoniumthiocyanat:
Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4SCN(s) → Ba(SCN)2(s) + 10H2O(l) + 2NH3(g)
Dies ist eine stark endotherme Reaktion, und da drei Feststoffmoleküle reagieren, um 13 Moleküle zu erzeugen, von denen 10 flüssig und zwei gasförmig sind, nimmt die Entropie stark zu. Wenn die Reaktanten in einem Becher gemischt werden und der Becher auf einen Block mit einigen Tropfen Wasser darauf gestellt wird, gefriert das Wasser, da Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird. Tatsächlich kann die Temperatur auf zwischen -4 und -22 ° F (-20 und -30 ° C) sinken.