Wie funktioniert chemische Energie?

Chemische Energie entsteht durch die Wechselwirkungen von Atomen und Molekülen. Im Allgemeinen gibt es eine Umlagerung von Elektronen und Protonen, eine sogenannte chemische Reaktion, die elektrische Ladungen erzeugt. Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass Energie umgewandelt oder umgewandelt, aber nie vernichtet werden kann. Daher trägt eine chemische Reaktion, die die Energie in einem System verringert, zur Energie bei, die normalerweise in Form von Wärme oder Licht an die Umgebung verloren geht. Alternativ hat eine chemische Reaktion, die die Energie in einem System erhöht, diese zusätzliche Energie der Umgebung entzogen.

Biologisches Leben hängt von chemischer Energie ab. Die beiden häufigsten Quellen biologischer chemischer Energie sind die Photosynthese bei Pflanzen und die Atmung bei Tieren. Bei der Photosynthese verwenden Pflanzen ein spezielles Pigment namens Chlorophyll, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Der Wasserstoff wird dann mit Kohlenstoff aus der Umwelt kombiniert, um Kohlenhydratmoleküle herzustellen, die die Pflanze dann als Energie nutzen kann. Die Zellatmung ist der umgekehrte Prozess, bei dem Sauerstoff verwendet wird, um ein Kohlenhydratmolekül wie Glukose zu einem energietragenden Molekül namens ATP zu oxidieren oder zu verbrennen, das von einzelnen Zellen verwendet werden kann.

Auch wenn es auf den ersten Blick nicht offensichtlich erscheint, ist die Verbrennung, wie sie in gasbetriebenen Motoren auftritt, eine biologische chemische Reaktion, die verwendet Sauerstoff in der Luft, um Kraftstoff zu verbrennen und eine Kurbelwelle anzutreiben. Benzin ist ein fossiler Brennstoff, der aus organischen Verbindungen gewonnen wird. Aber natürlich ist nicht jede chemische Energie biologisch. Jede Änderung der chemischen Bindungen eines Moleküls beinhaltet die Übertragung chemischer Energie. Das Verbrennen von Phosphor am Ende eines Streichholzes ist eine chemische Reaktion, die chemische Energie im Form von Licht und Wärme, die die Hitze des Schlags nutzt, um den Prozess einzuleiten, und Sauerstoff aus der Luft, um fortzufahren Verbrennung. Die von einem aktivierten Leuchtstab erzeugte chemische Energie ist meist Licht mit sehr geringer Wärme.

Anorganische chemische Reaktionen werden auch häufig verwendet, um gewünschte Produkte zu synthetisieren oder unerwünschte zu reduzieren. Die Bandbreite chemischer Reaktionen, die chemische Energie erzeugen, ist ziemlich groß und reicht von der einfachen Reorganisation von a einzelnes Molekül oder einfache Kombination von zwei Molekülen, bis hin zu komplexen Wechselwirkungen mit mehreren Verbindungen mit unterschiedlichem pH Niveau. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hängt im Allgemeinen von der Konzentration der Reaktantenmaterialien, der verfügbaren Oberfläche zwischen diesen Reaktanten, der Temperatur und dem Druck des Systems ab. Eine gegebene Reaktion hat angesichts dieser Variablen eine regelmäßige Geschwindigkeit und kann von Ingenieuren gesteuert werden, die diese Faktoren manipulieren.

In einigen Fällen ist die Anwesenheit eines Katalysators erforderlich, um eine Reaktion zu starten oder eine signifikante Reaktionsgeschwindigkeit zu erzeugen. Da der Katalysator selbst bei der Reaktion nicht verändert wird, kann er immer wieder verwendet werden. Ein gängiges Beispiel ist der Katalysator in einer Autoabgasanlage. Das Vorhandensein von Metallen der Platingruppe und anderen Katalysatoren reduziert schädliche Substanzen in harmlosere. Typische Reaktionen in einem Katalysator sind die Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff und Sauerstoff, Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid und Wasser.