Mängden kemisk energi ett ämne kan leverera kodas i de bindningar som håller samman dess atomer. Under en kemisk reaktion bryts dessa bindningar och ombildas, och nettoenergiförändringen beror på de inblandade bindningarnas relativa styrka.
Atomer är sammanlänkade med olika typer av bindningar - kovalenta, joniska, metalliska och väte - var och en bär på en karakteristisk mängd energi. Kovalenta bindningar, bildade genom elektrondelning, är vanligtvis de starkaste och lagrar därför mest energi (t.ex. O–H-bindningarna i vatten). Jonbindningar, som Na⁺–Cl⁻ i bordssalt, är svagare, medan vätebindningar mellan vattenmolekyler är bland de svagaste.
I praktiken registrerar en kemist mängden reaktanter, temperaturen och trycket före och efter en reaktion. Endast nettoförändringen i bindningsenergi har betydelse:om bindningarna i produkterna innehåller mindre energi än de i reaktanterna frigörs värme (en exoterm process). Omvänt, om produkterna har mer energi, absorberar reaktionen värme från omgivningen (endotermisk).
Exotermiska reaktioner frigör värme, t.ex. förbränning av ved, där kol och väte reagerar med syre och bildar CO₂ och H₂O. Endotermiska reaktioner förbrukar värme, som att lösa NaCl i vatten, vilket sänker lösningens temperatur något.
Huruvida en reaktion sker av sig själv beror på systemets fria energi. Spontana reaktioner, som natriummetall som reagerar häftigt med vatten, fortskrider utan extern input. Icke-spontana reaktioner, som att antända bensin, kräver en energitillförsel (t.ex. en gnista) för att passera en aktiveringsbarriär.
Genom att förstå dessa principer kan kemister förutsäga och kontrollera energiflödet i kemiska processer.
