Un proceso endotérmico es aquel que absorbe energía de su entorno. En una reacción química, dos o más sustancias, los reactivos, interactúan entre sí para producir una o más sustancias nuevas: los productos. Cuando la energía contenida en los productos es menor que la de los reactivos, se libera energía y se dice que la reacción es exotérmica. En las reacciones endotérmicas, los productos tienen más energía que los reactivos, por lo que la energía se absorbe de su entorno. Así, en las reacciones exotérmicas, los reactivos pierden calor en su entorno, que se calienta más, mientras que en las reacciones endotérmicas los reactivos obtienen calor de su entorno, que se enfría.
Una reacción química implica la formación de enlaces entre átomos. Dado que un sistema siempre intentará alcanzar su estado de energía más bajo, los enlaces solo se formarán si dan como resultado que la energía total de los átomos después de la unión sea más baja que antes de la unión. Por tanto, la formación de enlaces químicos libera energía. En las reacciones químicas, sin embargo, los enlaces deben romperse antes de que se puedan formar nuevos compuestos. Romper un enlace químico requiere energía y si se requiere más energía para romper los enlaces dentro de los reactivos de la que se libera por la formación de nuevos enlaces, la reacción general es endotérmica, porque hay una transferencia neta de energía del entorno a los reactivos.
No es necesariamente el caso de que una reacción que requiere la aplicación de calor sea una reacción endotérmica. A veces se requiere calor para romper los enlaces y comenzar la reacción, pero los nuevos enlaces que se forman liberan más calor, por lo que la reacción es exotérmica. Por ejemplo, el hidrógeno (H2) no reaccionará con el oxígeno (O2) a temperatura ambiente; sin embargo, encender una mezcla de hidrógeno / oxígeno con un fósforo hace que los gases se combinen explosivamente en una reacción altamente exotérmica: 2H2 + O2 → 2H2O. Se requiere calor para romper los enlaces dentro de las moléculas de hidrógeno y oxígeno, pero la formación de los nuevos enlaces hidrógeno-oxígeno libera mucho más calor. Por tanto, es una reacción exotérmica.
Por el contrario, la combinación de oxígeno con nitrógeno (N2) para formar óxido nítrico (NO) es una reacción endotérmica. En una molécula de nitrógeno, los átomos se mantienen unidos por un triple enlace muy fuerte. La energía requerida para romper este enlace es mayor que la energía liberada por la formación de óxido nítrico, por lo que la reacción es endotérmica. Otras reacciones endotérmicas incluyen la combinación de agua y dióxido de carbono para formar glucosa en la fotosíntesis, donde la energía requerida proviene de la luz solar.
La cantidad total de energía de los reactivos o los productos en una reacción química se conoce como entalpía. Se expresa en kilojulios (kJ) de energía y se representa con el símbolo ΔH. Una reacción química produce un cambio de entalpía. En reacciones exotérmicas, los productos tienen menos energía que los reactivos, por lo que el cambio es negativo. En las reacciones endotérmicas, los productos tienen más energía que los reactivos, por lo que el cambio es positivo.
La reacción exotérmica de hidrógeno y oxígeno para formar agua da como resultado un cambio de entalpía negativa de -285.8 kJ por cada molécula de agua formada. La reacción endotérmica del nitrógeno y el oxígeno para formar óxido nítrico da como resultado un cambio positivo de entalpía de +180.5 kJ. Las ecuaciones químicas se pueden escribir para incluir el cambio de entalpía, lo que indica si la reacción es exotérmica o endotérmica, por ejemplo:
N2 (g) + O2 (g) → 2NO (g); ΔH = +180.5 kJ
Estas ecuaciones incluyen los estados de los reactivos y productos: s = sólido, l = líquido y g = gas.
Las reacciones químicas endotérmicas pueden tener lugar a temperatura ambiente si hay un gran aumento en la entropía. Un ejemplo es la reacción de hidróxido de bario octahidrato y tiocianato de amonio:
Ba (OH) 2 · 8H2O (s) + 2NH4SCN (s) → Ba (SCN) 2 (s) + 10H2O (l) + 2NH3 (g)
Esta es una reacción altamente endotérmica, y debido a que tres moléculas de sólidos están reaccionando para producir 13 moléculas de las cuales 10 son líquidas y dos son gaseosas, hay un gran aumento en la entropía. Si los reactivos se mezclan en un vaso de precipitados y el vaso de precipitados se coloca encima de un bloque con unas gotas de agua, el agua se congela a medida que se absorbe el calor del entorno. De hecho, la temperatura puede descender entre -4 y -22 ° F (-20 y -30 ° C).