Endotermni proces je onaj koji apsorbira energiju iz svoje okoline. U kemijskoj reakciji, dvije ili više tvari – reaktanata – međusobno djeluju kako bi proizvele jednu ili više novih tvari – proizvoda. Tamo gdje je energija sadržana u proizvodima manja od energije u reaktantima, energija se oslobađa, a reakcija se kaže da je egzotermna. U endotermnim reakcijama proizvodi imaju više energije od reaktanata, pa se energija apsorbira iz njihovog okoliša. Tako u egzotermnim reakcijama reaktanti gube toplinu na svoju okolinu, koja postaje toplija, dok u endotermnim reakcijama reaktanti dobivaju toplinu iz okoline koja se hladi.
Kemijska reakcija uključuje stvaranje veza između atoma. Budući da će sustav uvijek pokušavati doseći svoje najniže energetsko stanje, veze će se formirati samo ako rezultiraju da je ukupna energija atoma nakon spajanja niža nego što je bila prije vezivanja. Dakle, stvaranjem kemijskih veza oslobađa se energija. U kemijskim reakcijama, međutim, veze se moraju prekinuti prije nego što se mogu stvoriti novi spojevi. Za prekid kemijske veze potrebna je energija i ako je za prekid veza unutar reaktanata potrebno više energije nego što se oslobađa stvaranjem novih veza, ukupna reakcija je endotermna, jer postoji neto prijenos energije iz okoline na reaktante.
Nije nužno da je reakcija koja zahtijeva primjenu topline endotermna reakcija. Ponekad je potrebna toplina da bi se prekinule veze kako bi se započela reakcija, ali nove veze koje nastaju oslobađaju više topline, pa je reakcija egzotermna. Na primjer, vodik (H2) neće reagirati s kisikom (O2) na sobnoj temperaturi; međutim, paljenje smjese vodika i kisika šibicom uzrokuje eksplozivno spajanje plinova u vrlo egzotermnoj reakciji: 2H2 + O2 → 2H2O. Toplina je potrebna da bi se prekinule veze unutar molekula vodika i kisika, ali se znatno više topline oslobađa stvaranjem novih vodik-kisik veza. Stoga je to egzotermna reakcija.
Suprotno tome, spajanje kisika s dušikom (N2) kako bi se dobio dušikov oksid (NO) je endotermna reakcija. U molekuli dušika atomi se drže zajedno vrlo snažnom trostrukom vezom. Energija potrebna za prekid ove veze veća je od energije koja se oslobađa stvaranjem dušikovog oksida, pa je reakcija endotermna. Ostale endotermne reakcije uključuju spajanje vode i ugljičnog dioksida za stvaranje glukoze u fotosintezi, gdje potrebna energija dolazi od sunčeve svjetlosti.
Ukupna količina energije reaktanata ili produkata u kemijskoj reakciji poznata je kao entalpija. Izražava se u kilodžulima (kJ) energije i predstavlja simbolom ΔH. Kemijska reakcija rezultira promjenom entalpije. U egzotermnim reakcijama proizvodi imaju manje energije od reaktanata, pa je promjena negativna. U endotermnim reakcijama proizvodi imaju više energije od reaktanata, pa je promjena pozitivna.
Egzotermna reakcija vodika i kisika u stvaranje vode rezultira negativnom promjenom entalpije od -285.8 kJ za svaku nastalu molekulu vode. Endotermna reakcija dušika i kisika za stvaranje dušikovog oksida rezultira pozitivnom promjenom entalpije od +180.5 kJ. Kemijske jednadžbe mogu se napisati tako da uključuju promjenu entalpije, pokazujući na taj način je li reakcija egzotermna ili endotermna, na primjer:
N2(g) + O2(g) → 2NO(g); ΔH = +180.5 kJ
Ove jednadžbe uključuju stanja reaktanata i proizvoda: s = krutina, l = tekućina i g = plin.
Endotermne kemijske reakcije mogu se odvijati na sobnoj temperaturi ako postoji veliko povećanje entropije. Jedan primjer je reakcija oktahidrata barijevog hidroksida i amonijevog tiocijanata:
Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4SCN(s) → Ba(SCN)2(s) + 10H2O(l) + 2NH3(g)
Ovo je izrazito endotermna reakcija, a budući da tri molekule krutih tvari reagiraju kako bi proizvele 13 molekula od kojih su 10 tekućine, a dvije plinovite, dolazi do velikog povećanja entropije. Ako se reaktanti pomiješaju u čaši, a čaša se stavi na blok s nekoliko kapi vode na njoj, voda se smrzava dok se toplina apsorbira iz okoline. Zapravo, temperatura može pasti između -4 i -22 °F (-20 i -30 °C).