Μια ενδόθερμη διαδικασία είναι αυτή που απορροφά ενέργεια από το περιβάλλον της. Σε μια χημική αντίδραση, δύο ή περισσότερες ουσίες – τα αντιδρώντα – αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για να παράγουν μία ή περισσότερες νέες ουσίες – τα προϊόντα. Όταν η ενέργεια που περιέχεται στα προϊόντα είναι μικρότερη από αυτή των αντιδρώντων, απελευθερώνεται ενέργεια και η αντίδραση λέγεται ότι είναι εξώθερμη. Στις ενδόθερμες αντιδράσεις, τα προϊόντα έχουν περισσότερη ενέργεια από τα αντιδρώντα, επομένως η ενέργεια απορροφάται από το περιβάλλον τους. Έτσι, στις εξώθερμες αντιδράσεις, τα αντιδρώντα χάνουν θερμότητα στο περιβάλλον τους, το οποίο θερμαίνεται περισσότερο, ενώ στις ενδόθερμες αντιδράσεις τα αντιδρώντα αποκτούν θερμότητα από το περιβάλλον τους, το οποίο ψύχεται.
Μια χημική αντίδραση περιλαμβάνει το σχηματισμό δεσμών μεταξύ των ατόμων. Δεδομένου ότι ένα σύστημα θα προσπαθεί πάντα να φτάσει στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση, οι δεσμοί θα σχηματιστούν μόνο εάν έχουν ως αποτέλεσμα η συνολική ενέργεια των ατόμων μετά τη σύνδεση να είναι χαμηλότερη από ό,τι πριν από τη σύνδεση. Έτσι, ο σχηματισμός χημικών δεσμών απελευθερώνει ενέργεια. Στις χημικές αντιδράσεις, ωστόσο, οι δεσμοί πρέπει να σπάσουν πριν σχηματιστούν νέες ενώσεις. Το σπάσιμο ενός χημικού δεσμού απαιτεί ενέργεια και εάν απαιτείται περισσότερη ενέργεια για τη διάσπαση των δεσμών μέσα στα αντιδρώντα από ό,τι απελευθερώνεται με το σχηματισμό νέων δεσμών, η συνολική αντίδραση είναι ενδόθερμη, επειδή υπάρχει μια καθαρή μεταφορά ενέργειας από το περιβάλλον στα αντιδρώντα.
Δεν ισχύει απαραίτητα ότι μια αντίδραση που απαιτεί την εφαρμογή θερμότητας είναι μια ενδόθερμη αντίδραση. Μερικές φορές απαιτείται θερμότητα για να σπάσουν οι δεσμοί για να ξεκινήσει η αντίδραση, αλλά περισσότερη θερμότητα απελευθερώνεται από τους νέους δεσμούς που σχηματίζονται, επομένως η αντίδραση είναι εξώθερμη. Για παράδειγμα, το υδρογόνο (Η2) δεν θα αντιδράσει με το οξυγόνο (Ο2) σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, το άναμμα ενός μείγματος υδρογόνου/οξυγόνου με ένα σπίρτο προκαλεί την εκρηκτική ένωση των αερίων σε μια εξαιρετικά εξώθερμη αντίδραση: 2H2 + O2 → 2H2O. Απαιτείται θερμότητα για τη διάσπαση των δεσμών μέσα στα μόρια υδρογόνου και οξυγόνου, αλλά απελευθερώνεται πολύ περισσότερη θερμότητα με το σχηματισμό των νέων δεσμών υδρογόνου-οξυγόνου. Είναι επομένως μια εξώθερμη αντίδραση.
Αντίθετα, ο συνδυασμός οξυγόνου με άζωτο (Ν2) για να σχηματιστεί μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ) είναι μια ενδόθερμη αντίδραση. Σε ένα μόριο αζώτου, τα άτομα συγκρατούνται μεταξύ τους με έναν πολύ ισχυρό τριπλό δεσμό. Η ενέργεια που απαιτείται για να σπάσει αυτός ο δεσμός είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που απελευθερώνεται από το σχηματισμό του μονοξειδίου του αζώτου, επομένως η αντίδραση είναι ενδόθερμη. Άλλες ενδόθερμες αντιδράσεις περιλαμβάνουν το συνδυασμό νερού και διοξειδίου του άνθρακα για να σχηματιστεί γλυκόζη στη φωτοσύνθεση, όπου η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από το ηλιακό φως.
Η συνολική ποσότητα ενέργειας των αντιδρώντων ή των προϊόντων σε μια χημική αντίδραση είναι γνωστή ως ενθαλπία. Εκφράζεται σε kilojoules (kJ) ενέργειας και αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο ΔH. Μια χημική αντίδραση οδηγεί σε αλλαγή της ενθαλπίας. Στις εξώθερμες αντιδράσεις, τα προϊόντα έχουν λιγότερη ενέργεια από τα αντιδρώντα, επομένως η μεταβολή είναι αρνητική. Στις ενδόθερμες αντιδράσεις, τα προϊόντα έχουν περισσότερη ενέργεια από τα αντιδρώντα, επομένως η μεταβολή είναι θετική.
Η εξώθερμη αντίδραση υδρογόνου και οξυγόνου για σχηματισμό νερού έχει ως αποτέλεσμα αρνητική αλλαγή ενθαλπίας -285.8 kJ για κάθε μόριο νερού που σχηματίζεται. Η ενδόθερμη αντίδραση αζώτου και οξυγόνου για σχηματισμό μονοξειδίου του αζώτου έχει ως αποτέλεσμα θετική μεταβολή της ενθαλπίας +180.5 kJ. Οι χημικές εξισώσεις μπορούν να γραφτούν για να περιλαμβάνουν την αλλαγή της ενθαλπίας, υποδεικνύοντας έτσι εάν η αντίδραση είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη, για παράδειγμα:
N2(g) + O2(g) → 2NO(g); ΔΗ = +180.5 kJ
Αυτές οι εξισώσεις περιλαμβάνουν τις καταστάσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων: s = στερεό, l = υγρό και g = αέριο.
Οι ενδόθερμες χημικές αντιδράσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν σε θερμοκρασία δωματίου εάν υπάρχει μεγάλη αύξηση της εντροπίας. Ένα παράδειγμα είναι η αντίδραση του οκταένυδρου υδροξειδίου του βαρίου και του θειοκυανικού αμμωνίου:
Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4SCN(s) → Ba(SCN)2(s) + 10H2O(l) + 2NH3(g)
Αυτή είναι μια εξαιρετικά ενδόθερμη αντίδραση και επειδή τρία μόρια στερεών αντιδρούν για να παράγουν 13 μόρια από τα οποία 10 είναι υγρά και δύο αέρια, υπάρχει μεγάλη αύξηση στην εντροπία. Εάν τα αντιδρώντα αναμειχθούν σε ένα ποτήρι και το ποτήρι τοποθετηθεί πάνω από ένα τεμάχιο με μερικές σταγόνες νερό πάνω του, το νερό παγώνει καθώς απορροφάται θερμότητα από το περιβάλλον. Στην πραγματικότητα, η θερμοκρασία μπορεί να πέσει μεταξύ -4 και -22 °F (-20 και -30 °C).