La quantité d’énergie chimique qu’une substance peut délivrer est codée dans les liaisons qui maintiennent ses atomes ensemble. Au cours d'une réaction chimique, ces liaisons sont rompues et reformées, et le changement net d'énergie dépend de la force relative des liaisons impliquées.
Les atomes sont liés par différents types de liaisons :covalentes, ioniques, métalliques et hydrogène, chacune transportant une quantité d'énergie caractéristique. Les liaisons covalentes, formées par partage d'électrons, sont généralement les plus fortes et stockent donc le plus d'énergie (par exemple, les liaisons O – H dans l'eau). Les liaisons ioniques, telles que Na⁺-Cl⁻ dans le sel de table, sont plus faibles, tandis que les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau sont parmi les plus faibles.
En pratique, un chimiste enregistre les quantités de réactifs, la température et la pression avant et après une réaction. Seule la variation nette de l’énergie des liaisons compte :si les liaisons des produits contiennent moins d’énergie que celles des réactifs, de la chaleur est libérée (un processus exothermique). À l'inverse, si les produits possèdent plus d'énergie, la réaction absorbe la chaleur de l'environnement (endothermique).
Les réactions exothermiques libèrent de la chaleur, par exemple la combustion du bois, où le carbone et l'hydrogène réagissent avec l'oxygène pour former du CO₂ et du H₂O. Les réactions endothermiques consomment de la chaleur, comme la dissolution du NaCl dans l'eau, ce qui abaisse légèrement la température de la solution.
Le fait qu’une réaction se produise d’elle-même dépend de l’énergie libre du système. Les réactions spontanées, comme la réaction violente du sodium métallique avec l’eau, se déroulent sans apport externe. Les réactions non spontanées, telles que l'allumage de l'essence, nécessitent un apport d'énergie (par exemple, une étincelle) pour franchir une barrière d'activation.
Comprendre ces principes permet aux chimistes de prédire et de contrôler le flux d'énergie dans les processus chimiques.