Năng lượng có thể đóng nhiều vai trò khác nhau trong các phản ứng hóa học và nó có thể là sản phẩm của phản ứng hóa học, thành phần cần thiết cho phản ứng hóa học hoặc năng lượng có thể tham gia rất ít vào phản ứng hóa học. Các phản ứng hóa học cần thêm năng lượng được gọi là phản ứng thu nhiệt, trong khi phản ứng tạo ra năng lượng được gọi là phản ứng tỏa nhiệt.
Các phản ứng thu nhiệt liên quan đến sự giảm nhiệt độ trong quá trình này. Ngược lại, các phản ứng tỏa nhiệt có thể tạo ra một lượng năng lượng nguy hiểm, chẳng hạn như xảy ra khi ngọn lửa bùng cháy hoặc phản ứng nổ phát nổ. Các phản ứng trung lập về mặt năng lượng cũng xảy ra trong thế giới tự nhiên.
Có nhiều ví dụ về phản ứng hóa học thu nhiệt, bao gồm sự tan chảy của các cục nước đá, sự bay hơi của nước, làm bánh mì nướng và sự phân hạch của một phân tử khí. Tất cả các phản ứng hóa học này đều cần một nguồn năng lượng đầu vào. Ngược lại, các ví dụ về phản ứng tỏa nhiệt bao gồm sự đóng băng của nước, đốt cháy đường hoặc hydrocacbon và sự phân hạch hạt nhân. Tất cả các phản ứng này đều tạo ra sự gia tăng năng lượng ròng.
Nhiều phản ứng hóa học thu nhiệt khi thực hiện theo một hướng và tỏa nhiệt khi thực hiện theo hướng khác. Ví dụ, quá trình hình thành các cặp ion giải phóng năng lượng, trong khi quá trình tách các ion kết đôi đòi hỏi một đầu vào là năng lượng. Sự ngưng tụ và bay hơi có xu hướng tương tự, với sự ngưng tụ tạo ra năng lượng và sự bay hơi cần năng lượng.
