انرژی شیمیایی

شیمی و انرژی شیمیایی در اطراف ما هستند. آنها حتی بخشی از ما هستند انرژی شیمیایی بخشی از زندگی روزمره است. هنگامی که ترکیبات شیمیایی در سطح مولکولی عمل کرده و واکنش نشان می دهند، با تغییرات شیمیایی سروکار دارد؛ انرژی شیمیایی را می‌توان در باتری‌ها، غذا، چوب، ترقه‌ها، اتومبیل‌ها و سایر وسایل روزمره که در زندگی‌مان استفاده می‌کنیم، یافت. اگر شیمی دبیرستان نقطه قوت شما نبود، تنها نیستید. این پرایمر را در مورد انرژی شیمیایی و نحوه عملکرد آن در نظر بگیرید.

انرژی شیمیایی چیست؟

انرژی شیمیایی یکی از شش شکل اولیه انرژی است: شیمیایی، الکتریکی، تابشی، مکانیکی، حرارتی و هسته ای. در حالی که اشکال دیگری از انرژی (الکتروشیمیایی، صوت و الکترومغناطیسی) وجود دارد، اینها معمولاً ترکیبی از شش شکل اولیه هستند. علاوه بر این، این شش شکل انرژی را می توان برای ایجاد انرژی با تکیه بر یک شکل یا شکل دیگر ترکیب کرد.برای انجام کار به انرژی نیاز است. از نظر علمی، «کار» نیرویی است که برای حرکت دادن یک جسم در مسافت لازم است. برای انرژی شیمیایی، این بدان معناست که انرژی زمانی که انرژی پتانسیل شیمیایی تحت یک واکنش شیمیایی قرار می گیرد، آزاد می شود. وقتی انرژی آزاد شده را مهار می کنیم، کار را می توان در مقیاس بزرگ یا کوچک انجام داد، از سوزاندن ستارگان گرفته تا کج کردن انگشت کوچک شما.
انرژی شیمیایی در پیوندهای ترکیبات شیمیایی در سطح مولکولی وجود دارد. هنگامی که یک واکنش شیمیایی بین مولکول های ترکیبات شیمیایی وجود دارد، ممکن است ماده جدیدی تشکیل شود و انرژی آزاد شود. هنگامی که انرژی شیمیایی آزاد می شود، می توان آن را برای انجام کار ساخت. وقتی آب را می جوشانید، یک واکنش گرماگیر ایجاد می کنید زیرا آب گرما را جذب می کند. به همین ترتیب، هنگامی که یک گاز (در این مثال، بخار) به مایع متراکم می شود، گرما آزاد می کند که یک فرآیند گرمازا است.
آنتالپی یک مفهوم اساسی در نحوه استفاده از انرژی است. آنتالپی یک سیستم انرژی مورد نیاز برای شکستن یا تشکیل پیوندهای شیمیایی در آن سیستم را تعیین می کند. اگرچه، در بیشتر موارد، پیوندهای شیمیایی خود به خود شکسته یا تشکیل نمی شوند. انرژی مورد نیاز است. جالب اینجاست که فقط تغییر آنتالپی را می توان اندازه گیری کرد نه مقدار آن. در مثال بالا، می‌توانیم تغییر دما یا بخار آب را اندازه‌گیری کنیم.

کدام واکنش شیمیایی انرژی را جذب می کند؟

هنگامی که یک واکنش شیمیایی بیشتر از انرژی آزاد شده مصرف می کند یا جذب می کند، به آن واکنش گرماگیر می گویند. در طول جذب انرژی، پیوندهای مولکولی یک ترکیب شیمیایی شکسته می شود و پیوندهای جدیدی ایجاد می کند. واکنش های گرماگیر منجر به کاهش دما می شود. برخی از نمونه های آن کاهش دما ذوب شدن تکه های یخ و تبخیر آب است. با گرما (محیطی یا کاربردی)، مکعب های یخ از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می شوند؛ به همین ترتیب، تبخیر آب، آب را از حالت مایع به گاز تبدیل می کند که هر دو واکنش گرماگیر هستند. فتوسنتز نمونه دیگری از واکنش گرماگیر است. همانطور که نور خورشید (انرژی تابشی) گیاه را گرم می کند، نور خورشید، دی اکسید کربن و آب را به اکسیژن، گلوکز و آب تبدیل می کند.

چه واکنش های شیمیایی انرژی آزاد می کند؟

هنگامی که واکنش های شیمیایی انرژی آزاد می کنند، واکنش های گرمازا نامیده می شوند. در طی واکنش های گرمازا، پیوندهای شیمیایی انرژی بیشتری نسبت به تولید محصولات نهایی خود آزاد می کنند. در نتیجه دما در واکنش های گرماگیر کاهش می یابد: چندین واکنش گرمازا انرژی تولید می کنند: احتراق، خوردگی، خنثی سازی و واکنش های مبتنی بر آب. نمونه ای از واکنش احتراق به سادگی ضربه زدن به یک کبریت است. یک واکنش خوردگی می تواند زنگ زدن فلز یا کدر شدن قوری باشد – نتیجه اکسیداسیون. خنثی سازی زمانی اتفاق می افتد که یک اسید و یک باز را ترکیب می کنید. یک مثال معمولی استفاده از آنتی اسیدها (یک باز) برای درمان سوزش معده (ناشی از اسید معده) است. در نهایت، یک واکنش گرمازا مبتنی بر آب زمانی رخ می دهد که یخ تشکیل شود زیرا گرمای آب به هوای سردتر اطراف پخش می شود.

ترمودینامیک چه نقشی در انرژی شیمیایی دارد؟

شیمی قابل پیش بینی است: یک فرآیند شیمیایی در شرایط خاص همان نتیجه را ایجاد می کند. ترمودینامیک، که بر روابط بین انرژی و کار و جریان بین آنها حاکم است، نیروهای انرژی را زیربنا می‌دهد؛ قانون اول ترمودینامیک (قانون بقای انرژی) می گوید که انرژی ایجاد یا از بین نمی رود. به عبارت دیگر، مقدار انرژی همیشه در همه جای جهان یکسان است. با این حال، می تواند اشکال را تغییر دهد. ما دیدیم که چگونه انرژی شیمیایی در بحث انرژی گرماگیر و گرمازا شکل می گیرد؛ دو قانون دیگر ترمودینامیک با اثرات آنتروپی سروکار دارند، که یک ویژگی ترمودینامیکی است که انرژی حرارتی یک سیستم معین را در واحد دمایی که برای انجام کار در دسترس نیست، تعریف می‌کند. این مقدار زیادی برای باز کردن است؛ برای مثال، آتش کمپ را در نظر بگیرید. شما با یک قطعه از تنه درخت شروع می کنید، که نشان دهنده شکلی از انرژی بالقوه است. تنها زمانی که چوب را می سوزانید، انرژی آزاد می شود. آنتروپی حکم می کند که جریان انرژی در مثال ما به عنوان انرژی تابشی و نور به سمت بیرون حرکت می کند.
در بحث مقادیر ترمودینامیکی، دانشمندان به رابطه بین یک سیستم تعریف شده یا بسته و محیط اطراف آن اشاره می کنند. در مثال ما، تنه در حال سوختن یک سیستم بسته است. انرژی تابشی و نور از آن سیستم به هوای اطراف حرکت می کند.

نمونه هایی از انرژی شیمیایی در زندگی روزمره چیست؟

یادتان هست در کودکی زمانی که آتشفشانی را در نمایشگاه علمی مدرسه ارائه کردید؟ یا شاید شما یک والدین هستید و فرزندتان این کار را کرده است. در هر صورت، احتمال اینکه جوش شیرین و سرکه (سرد) یا مخمر و پراکسید هیدروژن (گرم) در شبیه سازی فوران آتشفشانی نقش داشته باشند، وجود دارد. بسته به اینکه از چه موادی استفاده کرده اید، واکنش های شیمیایی گرمازا را نشان می دهند؛ دیگر نمونه های روزمره انرژی شیمیایی عبارتند از:
بدن شما غذایی که می خورید را با هضم به انرژی شیمیایی تبدیل می کند از طریق کربوهیدرات ها به گلوکز. جریان خون شما گلوکز را به تمام سلول های بدن شما می رساند. سپس، بدن شما از انرژی شیمیایی گلوکز استفاده می کند. سوزاندن هیدروکربن های موجود در سوخت های فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ، انرژی گرمایی تولید می کند. بنزین، شکل دیگری از سوخت فسیلی، به خودروها و ژنراتورها نیرو می دهد. گاز طبیعی خانه ها را گرم می کند و در هنگام سوختن برق تولید می کند.

چند نوع انرژی وجود دارد و کدامند؟

انواع مختلفی از انرژی شیمیایی وجود دارد، برخی اولیه و برخی ترکیبی از انواع اولیه. هر یک از این انواع را می توان بر اساس حالت انرژی خود طبقه بندی کرد: پتانسیل و جنبشی. انرژی یک جسم در حال حرکت جنبشی است. نمونه هایی از انرژی جنبشی شامل چرخش زمین به دور خورشید یا پیاده روی در پارک است. انرژی جنبشی معمولاً با ژول اندازه گیری می شود. پنج نوع انرژی جنبشی وجود دارد: مکانیکی، الکتریکی، تابشی، حرارتی و صوتی.

انرژی مکانیکی:
منابع انرژی مختلف انرژی مکانیکی تولید می کنند تا توربین ها برق تولید کنند. انرژی باد پره‌های توربین را می‌چرخاند تا محور محرک ژنراتور را بچرخاند، که برق تولید می‌کند. بخار برای تولید نیروی الکتریکی به همان روش عمل می کند. همانطور که آب در میان توربین های آبی حرکت می کند، انرژی تولید می کند که به برق تبدیل می شود.

انرژی الکتریکی:
انرژی الکتریکی را می توان انرژی پتانسیل یا جنبشی در نظر گرفت. هنگامی که بار الکتریکی جریان می یابد، در حال حرکت است و آن را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. تولید الکتریسیته زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها حرکت کنند و هر الکترون را به سمت الکترون بعدی هدایت و فشار دهند. به عنوان مثال، الکترون ها از طریق سیم های بالای سر به خانه شما حرکت می کنند و انرژی جنبشی هستند. با این حال، تا زمانی که کلید چراغ را باز نکنید، انرژی بالقوه باقی می ماند.

انرژی تابشی:
اغلب به عنوان یک ذره توصیف می شود، انرژی تابشی انرژی است که ذره حمل می کند. به عنوان مثال، یک فوتون انرژی تابشی دارد اما به خودی خود انرژی نیست – منابع انرژی تابشی در سراسر طیف تابش الکترومغناطیسی قرار می گیرند: پرتوهای گاما، اشعه ایکس و غیره. نور و گرما منابع سنتی تر انرژی تابشی هستند. مثل زمانی که گرمای خورشید را احساس می کنیم. از آنجایی که خورشید امواج الکترومغناطیسی ساطع می کند که در فضا حرکت می کنند، نمونه ای عالی از انرژی تابشی است. این حرکت آن امواج است که آن را انرژی جنبشی می کند. بنابراین وقتی در یک روز آفتابی چند پرتو می تابیم، نور خورشید پوست را گرم می کند. به همین ترتیب، ما می توانیم انرژی را از خورشید از طریق صفحات خورشیدی دریافت کنیم.

انرژی حرارتی:
مردم اغلب در مورد چیستی انرژی حرارتی سردرگم می شوند. اغلب آنها شکل گرما را با علت آن اشتباه می گیرند. حرکت ذرات اتمی و مولکولی درون یک سیستم انرژی حرارتی تولید می کند. به عنوان مثال، نیروگاه های ایسلند از انرژی حرارتی آتشفشان های آن برای تولید آب گرم و گرمای ساختمان ها استفاده می کنند؛ طبق تعریف، انرژی حرارتی به انرژی جاری در یک سیستم اشاره دارد. گرمای حاصل محصول جانبی جریان مواد حرارتی است. بنابراین این جریان است که آن را به انرژی جنبشی تبدیل می کند.

انرژی صوتی:
انرژی صوتی زمانی به وجود می آید که امواج صوتی یک جسم یا ماده را به ارتعاش در می آورند. برای مثال، وقتی در یک کنسرت با صدای بلند و سرپوشیده شرکت می‌کنید و موسیقی دیوارها یا مبلمان را به لرزه در می‌آورد، این انرژی صوتی است. وقتی در نوشیدنی خود موج می بینید، این انرژی جنبشی است.
ما یک موج صوتی را با طول موج، دوره، دامنه و فرکانس آن اندازه گیری می کنیم، صرف نظر از اینکه جریان طولی یا عرضی (جهت حرکت صدا) یا محیطی است که در آن حرکت می کند.

انرژی نور:
اگرچه ما آن را در لیست پنج نوع اصلی انرژی جنبشی خود قرار ندادیم، انرژی نور را نباید نادیده گرفت. به چند دلیل منحصر به فرد است. اول، نور مانند یک ذره (فوتون) و یک موج رفتار می کند. در یک جریان فوتون و به عنوان یک موج الکترومغناطیسی حرکت می کند. همچنین این تنها شکلی از انرژی است که در واقع می توانیم ببینیم. در هر شکل دیگر انرژی، ما اثرات نیرو را می بینیم، نه خود انرژی را؛ سلول‌های فتوولتائیک (معروف به پانل‌های خورشیدی) انرژی خورشیدی را در سه مرحله اصلی تولید می‌کنند، خواه یک پانل روی پشت بام باشد یا یک آرایه در مقیاس کاربردی:

• نور جذب شده الکترون ها را آزاد می کند.
• الکترون های جاری جریان ایجاد می کنند.
• انتقال جریان به سیم کشی گرفته شده است.

انرژی نور به دلیل ماهیت دوگانه (موج و ذره) انرژی جنبشی است.

انرژی شیمیایی بالقوه چیست؟

انرژی ذخیره شده انرژی بالقوه است – انرژی که منتظر یک عمل کاتالیزوری است تا به انرژی جنبشی تبدیل شود. باتری ها، خودرویی با مخزن پر بنزین، یا کتابی که در لبه قفسه کتاب قرار دارد، نمونه هایی از انرژی بالقوه هستند؛ یک تخته سنگ روی تاقچه به دلیل ارتفاعش می تواند انرژی پتانسیل گرانشی داشته باشد. اگر سنگ سقوط کند، نیروی گرانش نیرو را آزاد کرده است – مگر اینکه و تا زمانی که سقوط کند، انرژی آن ذخیره شود (پتانسیل). ما در مورد نحوه عملکرد انرژی شیمیایی صحبت کرده ایم: ترکیبات شیمیایی برای آزاد شدن یا مصرف انرژی واکنش نشان می دهند. به عنوان مثال، مواد جدید ممکن است برای تشکیل یافتن، انرژی مصرف کنند. هنگامی که پیوندهای شیمیایی از هم جدا می شوند، آن ترکیب ممکن است انرژی آزاد کند؛ شکلی از انرژی شیمیایی در سطح بیولوژیکی سلولی، آدنوزین 5′-تری فسفات (ATP) مولکول اولیه برای ذخیره و انتقال نیرو است. انرژی را برای واکنش‌های آینده نگه می‌دارد یا در مواقعی که انرژی مورد نیاز است، به واکنش‌ها سوخت می‌دهد. صرف نظر از این، انرژی پیوند ATP باید وجود داشته باشد زیرا حامل انرژی است.

انرژی شیمیایی را می توان به چه چیزی تبدیل کرد؟

انرژی شیمیایی انرژی بالقوه ای است که در پیوندهای ترکیبات شیمیایی یافت می شود و می تواند در باتری ها برای تبدیل بعدی به برق ذخیره شود. در یک باتری، واکنش‌های شیمیایی الکترون‌ها را برای تشکیل جریان الکتریکی که به ابزارهای زندگی روزمره ما نیرو می‌دهد، فشار می‌دهد: تلفن‌های هوشمند، ساعت‌ها، رایانه‌ها، چراغ قوه‌ها و ژنراتورها تنها چند نمونه هستند. در سطح بیولوژیکی، انرژی شیمیایی به گیاهان و حیوانات با تبدیل غذای آنها برای حفظ آنها سوخت می دهد. غذا خوردن سوخت فرآیندهای شیمیایی هضم و توزیع انرژی را فراهم می کند. انرژی شیمیایی انرژی بالقوه ای است که منتظر آزاد شدن و استفاده است.

انرژی شیمیایی چگونه استفاده می شود؟

انرژی شیمیایی که در بسیاری از مولکول‌های غنی از انرژی روی زمین یافت می‌شود، تحت یکی از واکنش‌های متعدد قرار می‌گیرد تا تبدیل به انرژی جنبشی شود. به عنوان مثال، اکسیژن رایج ترین مولکول شیمیایی حاوی انرژی است. هنگامی که مشتعل می شود، اکسیژن مخلوط شده با هیدروکربن ها مانند سوخت های فسیلی، چوب، و سایر مواد گیاهی یا سوخت های زیستی، برای آزاد شدن انرژی، دچار دگرگونی شیمیایی می شود.

معایب انرژی شیمیایی چیست؟

انرژی شیمیایی چند “معایب” دارد که باید به آنها اشاره کرد. برای شروع، انرژی شیمیایی شکل پاکی از انرژی نیست. بیشتر اشکال انرژی شیمیایی تنها از طریق احتراق یا سایر اشکال مصرف یا تولید محصولات جانبی امکان پذیر است. انتشارات اغلب محصول فرعی این فرآیندها هستند که می توانند بر سیاره تأثیر منفی بگذارند؛ منابع انرژی شیمیایی نیز به عنوان منابع انرژی تجدیدپذیر در نظر گرفته نمی شوند زیرا باید دوباره پر شوند. به آتش اردوگاه ما فکر کنید. کنده ای که در تمام این مدت روی آتش می سوخت تمام می شود و خاکستر باقی می ماند. تبدیل خاکستر به چوب غیرممکن است. ما فقط می توانیم یک چوب دیگر را روی آتش بگذاریم.

انرژی شیمیایی: به زندگی ما نیرو می دهد

انرژی شیمیایی هر روز به زندگی ما نیرو می دهد. در واقع، خود زندگی را نیرو می دهد. این انرژی در پیوندهای ترکیبات شیمیایی ذخیره می شود و در انتظار استفاده در واکنش های گرماگیر یا گرمازا است. ایجاد انرژی یا از بین بردن آن غیرممکن است. انرژی فقط می تواند شکل ها را تغییر دهد. یکی از بسیاری از اشکال انرژی، انرژی شیمیایی، انرژی پتانسیل است. به ندرت انرژی ذاتی خود را به طور خود به خود آزاد می کند. در عوض، به مقداری کاتالیزور یا احتراق نیاز دارد. برخی از معایب اتکا به انرژی شیمیایی را به چالش می کشد: این یک منبع واقعی تجدید پذیر نیست و محصولات جانبی آن می توانند مضر باشند. با این حال، فناوری به طور مداوم در حال پیشرفت است تا اطمینان حاصل شود که آینده روشن تری برای خود و کره زمین خواهیم داشت.

منبع: برنیکا