كيف تعمل الطاقة الكيميائية؟

تنشأ الطاقة الكيميائية من تفاعلات الذرات والجزيئات. بشكل عام ، هناك إعادة ترتيب للإلكترونات والبروتونات ، يسمى تفاعل كيميائي ، ينتج عنه شحنات كهربائية. ينص قانون الحفاظ على الطاقة على أنه يمكن تحويل الطاقة أو تحويلها ولكن لا يمكن تدميرها أبدًا. لذلك ، فإن التفاعل الكيميائي الذي يقلل من الطاقة في نظام ما يساهم في فقدان الطاقة في البيئة ، عادةً على شكل حرارة أو ضوء. بالتناوب ، فإن التفاعل الكيميائي الذي يزيد الطاقة في النظام قد يأخذ هذه الطاقة الإضافية من البيئة.

تعتمد الحياة البيولوجية على الطاقة الكيميائية. المصدران الأكثر شيوعًا للطاقة الكيميائية البيولوجية هما التمثيل الضوئي في النباتات والتنفس في الحيوانات. في عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات صبغة خاصة تسمى الكلوروفيل لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. ثم يتم دمج الهيدروجين مع الكربون من البيئة لإنتاج جزيئات الكربوهيدرات التي يمكن للنبات استخدامها كطاقة. التنفس الخلوي هو عملية عكسية ، باستخدام الأكسجين لأكسدة أو حرق جزيء الكربوهيدرات مثل الجلوكوز في جزيء يحمل الطاقة يسمى ATP ، والذي يمكن أن تستخدمه الخلايا الفردية.

على الرغم من أنه قد لا يبدو واضحًا في البداية ، إلا أن الاحتراق كما يحدث في المحركات التي تعمل بالغاز هو تفاعل كيميائي بيولوجي يستخدم الأكسجين في الهواء لحرق الوقود وتشغيل العمود المرفقي. البنزين هو وقود أحفوري مشتق من المركبات العضوية. لكن ، ليست كل الطاقة الكيميائية بيولوجية بالطبع. أي تغيير في الروابط الكيميائية للجزيء ينطوي على نقل الطاقة الكيميائية. إن احتراق الفسفور في نهاية عود الثقاب هو تفاعل كيميائي ينتج طاقة كيميائية في شكل من الضوء والحرارة باستخدام الحرارة من الضرب لبدء العملية واستمرار الأكسجين من الهواء احتراق. الطاقة الكيميائية التي تنتجها عصا التوهج المنشط خفيفة في الغالب مع حرارة قليلة جدًا.

تُستخدم التفاعلات الكيميائية غير العضوية أيضًا بشكل متكرر لتجميع المنتجات المرغوبة أو تقليل المنتجات غير المرغوب فيها. نطاق التفاعلات الكيميائية التي تنتج طاقة كيميائية واسع جدًا ، بدءًا من إعادة تنظيم بسيطة لـ جزيء واحد أو مزيج بسيط من جزيئين ، لتفاعلات معقدة مع مركبات متعددة ذات درجة حموضة مختلفة مستوى. يعتمد معدل التفاعل الكيميائي بشكل عام على تركيز المواد المتفاعلة ، ومساحة السطح المتاحة بين تلك المواد المتفاعلة ، ودرجة حرارة وضغط النظام. رد فعل معين سيكون له معدل منتظم بالنظر إلى هذه المتغيرات ، ويمكن التحكم فيه من قبل المهندسين الذين يتلاعبون بهذه العوامل.

في بعض الحالات ، يكون وجود محفز مطلوبًا لبدء التفاعل أو لإنشاء معدل تفاعل كبير. نظرًا لأن المحفز نفسه لا يتغير في التفاعل ، فيمكن استخدامه مرارًا وتكرارًا. المثال الشائع هو المحول الحفاز في نظام عادم السيارات. يقلل وجود معادن مجموعة البلاتين ومحفزات أخرى المواد الضارة إلى مواد أكثر اعتدالًا. التفاعلات النموذجية في المحول الحفاز هي اختزال أكاسيد النيتروجين إلى نيتروجين وأكسجين ، أكسدة أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون ، وأكسدة الهيدروكربونات غير المحترقة إلى ثاني أكسيد الكربون و ماء.