Los cambios de fase en la materia se dividen en dos categorías básicas: endotérmica y exotérmica. Exotérmico significa «calor exterior» en griego, en oposición al «calor interior» endotérmico. Las reacciones endotérmicas necesitan calor, o energía, para que se formen nuevos enlaces químicos, como cuando un cubo de hielo se derrite en un líquido y luego se hierve en vapor. Las reacciones exotérmicas, por otro lado, crean más energía de la necesaria para facilitarlas, lo que hace que aumente la temperatura inmediatamente alrededor de la reacción. Esto sucede cuando la lluvia se forma en una nube e incluso cuando la lluvia se congela en hielo en el suelo.
Algunas de las reacciones exotérmicas más ilustrativas involucran llamas. Los fósforos, las fogatas, los fuegos artificiales y los cohetes emplean estas reacciones para producir energía que se utiliza para una variedad de propósitos. Muchos facilitan reacciones endotérmicas como hacer pan, cocinar sopa o calentarse las manos. Sin embargo, las reacciones exotérmicas no solo emiten calor; a menudo requieren al menos un suministro inicial de energía que proporciona lo que se conoce como energía de activación. En reacciones exotérmicas, sin embargo, la energía invertida siempre será menor que la energía total producida; la chispa nunca será más grande que la llama.
Otras reacciones de este tipo son más difíciles de experimentar. Cuando se forma óxido en el metal, otra reacción exotérmica común, no parece que el proceso desprenda calor. Sin embargo, se ha liberado calor; Durante varias horas, en las condiciones adecuadas de humedad, luz y temperatura, la mezcla de hierro y oxígeno produce óxido de hierro y una pizca de calor.
Los científicos usan un instrumento llamado calorímetro para medir cuánto calor se produce por un cambio de fase o una reacción química. Esto implica realizar la reacción en un baño de agua para medir el cambio de temperatura producido. Los resultados indican si una reacción dada es endotérmica o exotérmica.
Los profesores de química a menudo emplean uno o más de varios experimentos cuidadosamente supervisados para ilustrar los principios de las reacciones exotérmicas. La lección puede ser tan simple como encender un fósforo y explicar cómo una chispa enciende una reacción exotérmica entre el azufre y el oxígeno para producir calor. Otro experimento común consiste en mezclar agua y cloruro de calcio, un agente de deshielo que también se usa en paquetes calefactores portátiles, y luego medir la cantidad de calor producido por la reacción.
Muchos científicos forenses estudian las reacciones exotérmicas de forma exhaustiva. Primero deben aprender cómo ocurren las diversas reacciones químicas y cuánto calor se produce. Como investigadores, este conocimiento los prepara mejor para descubrir qué causó un incendio o una explosión y determinar la mejor manera de extinguirlos en el futuro.