Phasenänderungen in Materie werden in zwei grundlegende Kategorien unterteilt: endotherme und exotherme. Exotherm bedeutet im Griechischen “Außenwärme”, im Gegensatz zu “Innenwärme” von endotherm. Endotherme Reaktionen benötigen Wärme oder Energie, um neue chemische Bindungen zu bilden, beispielsweise wenn ein Eiswürfel zu einer Flüssigkeit geschmolzen und dann zu Dampf gekocht wird. Exotherme Reaktionen hingegen erzeugen mehr Energie, als für ihre Durchführung benötigt wird, wodurch die Temperatur unmittelbar um die Reaktion ansteigt. Dies geschieht, wenn sich Regen in einer Wolke bildet und selbst wenn Regen auf dem Boden zu Eis gefriert.
Einige der anschaulichsten exothermen Reaktionen beinhalten Flammen. Streichhölzer, Lagerfeuer, Feuerwerkskörper und Raketen nutzen diese Reaktionen, um Energie zu erzeugen, die für eine Vielzahl von Zwecken verwendet wird. Viele ermöglichen endotherme Reaktionen wie Brotbacken, Suppe kochen oder Händewärmen. Exotherme Reaktionen geben jedoch nicht nur Wärme ab; sie erfordern oft zumindest eine anfängliche Energiezufuhr, die die sogenannte Aktivierungsenergie bereitstellt. Bei exothermen Reaktionen wird jedoch immer weniger Energie investiert als die gesamte erzeugte Energie; der Funke wird nie größer sein als die Flamme.
Andere Reaktionen dieser Art sind schwerer zu erleben. Wenn sich auf Metall Rost bildet, eine weitere häufige exotherme Reaktion, scheint der Prozess keine Wärme abzugeben. Es wurde jedoch Wärme freigesetzt; Über mehrere Stunden hinweg erzeugt die Vermischung von Eisen und Sauerstoff bei genau den richtigen Feuchtigkeits-, Licht- und Temperaturbedingungen Eisenoxid und ein bisschen Wärme.
Wissenschaftler verwenden ein Instrument namens Kalorimeter, um zu messen, wie viel Wärme durch eine Phasenänderung oder eine chemische Reaktion erzeugt wird. Dies beinhaltet die Durchführung der Reaktion in einem Wasserbad, um die erzeugte Temperaturänderung zu messen. Die Ergebnisse zeigen an, ob eine gegebene Reaktion endotherm oder exotherm ist.
Chemielehrer verwenden oft eines oder mehrere von mehreren sorgfältig überwachten Experimenten, um die Prinzipien exothermer Reaktionen zu veranschaulichen. Die Lektion kann so einfach sein, wie ein Streichholz anzuzünden und zu erklären, wie ein Funke eine exotherme Reaktion zwischen Schwefel und Sauerstoff entzündet, um Wärme zu erzeugen. Ein weiteres übliches Experiment besteht darin, Wasser und Calciumchlorid, ein Enteisungsmittel, das auch in tragbaren Heizgeräten verwendet wird, zu mischen und dann die durch die Reaktion erzeugte Wärmemenge zu messen.
Viele Forensiker untersuchen exotherme Reaktionen eingehend. Zunächst müssen sie lernen, wie verschiedene chemische Reaktionen ablaufen und wie viel Wärme dabei entsteht. Als Ermittler können sie mit diesem Wissen besser erkennen, was einen Brand oder eine Explosion verursacht hat – und entscheiden, wie sie in Zukunft am besten gelöscht werden können.