La quantità di energia chimica che una sostanza può fornire è codificata nei legami che tengono insieme i suoi atomi. Durante una reazione chimica, questi legami vengono rotti e riformati e la variazione netta di energia dipende dalla forza relativa dei legami coinvolti.
Gli atomi sono collegati da diversi tipi di legami:covalenti, ionici, metallici e idrogeno, ciascuno dei quali trasporta una caratteristica quantità di energia. I legami covalenti, formati dalla condivisione di elettroni, sono tipicamente i più forti e quindi immagazzinano più energia (ad esempio, i legami OH-H nell’acqua). I legami ionici, come Na⁺–Cl⁻ nel sale da cucina, sono più deboli, mentre i legami idrogeno tra le molecole d'acqua sono tra i più deboli.
In pratica, un chimico registra le quantità di reagenti, la temperatura e la pressione prima e dopo una reazione. Conta solo la variazione netta dell'energia di legame:se i legami nei prodotti contengono meno energia di quelli nei reagenti, viene rilasciato calore (un processo esotermico). Al contrario, se i prodotti possiedono più energia, la reazione assorbe calore dall'ambiente circostante (endotermica).
Le reazioni esotermiche rilasciano calore, ad esempio la combustione del legno, dove il carbonio e l'idrogeno reagiscono con l'ossigeno per formare CO₂ e H₂O. Le reazioni endotermiche consumano calore, come la dissoluzione di NaCl in acqua, che abbassa leggermente la temperatura della soluzione.
Il fatto che una reazione avvenga da sola dipende dall’energia libera del sistema. Le reazioni spontanee, come il sodio metallico che reagisce violentemente con l'acqua, procedono senza input esterni. Le reazioni non spontanee, come l'accensione della benzina, richiedono un input di energia (ad esempio una scintilla) per attraversare una barriera di attivazione.
La comprensione di questi principi consente ai chimici di prevedere e controllare il flusso di energia nei processi chimici.
