Πώς λειτουργεί η χημική ενέργεια;

Η χημική ενέργεια προέρχεται από τις αλληλεπιδράσεις ατόμων και μορίων. Γενικά, υπάρχει μια αναδιάταξη ηλεκτρονίων και πρωτονίων, που ονομάζεται χημική αντίδραση, τα οποία παράγουν ηλεκτρικά φορτία. Ο νόμος για την εξοικονόμηση ενέργειας ορίζει ότι η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί ή να μετατραπεί, αλλά ποτέ να μην καταστραφεί. Επομένως, μια χημική αντίδραση που μειώνει την ενέργεια σε ένα σύστημα θα συνεισφέρει την ενέργεια που χάνεται στο περιβάλλον, συνήθως ως θερμότητα ή φως. Εναλλακτικά, μια χημική αντίδραση που αυξάνει την ενέργεια σε ένα σύστημα θα έχει πάρει αυτή την επιπλέον ενέργεια από το περιβάλλον.

Η βιολογική ζωή εξαρτάται από τη χημική ενέργεια. Οι δύο πιο κοινές πηγές βιολογικής χημικής ενέργειας είναι η φωτοσύνθεση στα φυτά και η αναπνοή στα ζώα. Στη φωτοσύνθεση, τα φυτά χρησιμοποιούν μια ειδική χρωστική ουσία που ονομάζεται χλωροφύλλη για να διαχωρίσουν το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το υδρογόνο στη συνέχεια συνδυάζεται με άνθρακα από το περιβάλλον για την παραγωγή μορίων υδατανθράκων που το φυτό μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει ως ενέργεια. Η κυτταρική αναπνοή είναι η αντίστροφη διαδικασία, χρησιμοποιώντας οξυγόνο για να οξειδώσει ή να κάψει ένα μόριο υδατάνθρακα όπως η γλυκόζη σε ένα μόριο που φέρει ενέργεια που ονομάζεται ATP, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μεμονωμένα κύτταρα.

Αν και μπορεί να μην φαίνεται προφανές στην αρχή, η καύση όπως συμβαίνει σε κινητήρες με αέριο είναι μια βιολογική χημική αντίδραση που χρησιμοποιεί οξυγόνο στον αέρα για να κάψει καύσιμο και να τροφοδοτήσει έναν στροφαλοφόρο άξονα. Η βενζίνη είναι ένα ορυκτό καύσιμο που προέρχεται από οργανικές ενώσεις. Αλλά, φυσικά, δεν είναι βιολογική όλη η χημική ενέργεια. Οποιαδήποτε αλλαγή στους χημικούς δεσμούς ενός μορίου συνεπάγεται τη μεταφορά χημικής ενέργειας. Η καύση του φωσφόρου στο τέλος ενός σπίρτου είναι μια χημική αντίδραση που παράγει χημική ενέργεια στο μορφή φωτός και θερμότητας χρησιμοποιώντας θερμότητα από το χτύπημα για να ξεκινήσει η διαδικασία και οξυγόνο από τον αέρα για να συνεχιστεί καύση. Η χημική ενέργεια που παράγεται από μια ενεργοποιημένη λάμψη είναι κυρίως ελαφριά με πολύ λίγη θερμότητα.

Οι ανόργανες χημικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται επίσης συχνά για τη σύνθεση των επιθυμητών προϊόντων ή τη μείωση των ανεπιθύμητων. Το εύρος των χημικών αντιδράσεων που παράγουν χημική ενέργεια είναι αρκετά μεγάλο, που κυμαίνεται από την απλή αναδιοργάνωση ενός ένα μόριο ή απλός συνδυασμός δύο μορίων, σε πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις με πολλαπλές ενώσεις διαφόρων ρΗ επίπεδο. Ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης εξαρτάται γενικά από τη συγκέντρωση των αντιδρώντων υλικών, την επιφάνεια που είναι διαθέσιμη μεταξύ αυτών των αντιδρώντων, τη θερμοκρασία και την πίεση του συστήματος. Μια δεδομένη αντίδραση θα έχει κανονικό ρυθμό δεδομένων αυτών των μεταβλητών και μπορεί να ελεγχθεί από μηχανικούς που χειρίζονται αυτούς τους παράγοντες.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η παρουσία ενός καταλύτη απαιτείται για να ξεκινήσει μια αντίδραση ή για να δημιουργηθεί ένας σημαντικός ρυθμός αντίδρασης. Επειδή ο καταλύτης δεν αλλάζει ο ίδιος στην αντίδραση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά και ξανά. Ένα κοινό παράδειγμα είναι ο καταλυτικός μετατροπέας σε σύστημα εξάτμισης αυτοκινήτου. Η παρουσία μετάλλων ομάδας πλατίνας και άλλων καταλυτών μειώνει τις επιβλαβείς ουσίες σε πιο καλοήθη. Τυπικές αντιδράσεις σε έναν καταλυτικό μετατροπέα είναι η μείωση των οξειδίων του αζώτου σε άζωτο και οξυγόνο, οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα στο διοξείδιο του άνθρακα, και οξείδωση των άκαυστων υδρογονανθράκων στο διοξείδιο του άνθρακα και νερό.