¿Cómo funciona la energía química?

La energía química se origina en las interacciones de átomos y moléculas. Generalmente, hay una reordenación de electrones y protones, llamada reacción química, que produce cargas eléctricas. La ley de conservación de la energía estipula que la energía se puede transformar o convertir pero nunca destruir. Por lo tanto, una reacción química que disminuye la energía en un sistema contribuirá con la energía perdida al medio ambiente, generalmente en forma de calor o luz. Alternativamente, una reacción química que aumenta la energía en un sistema habrá tomado esta energía adicional del medio ambiente.

La vida biológica depende de la energía química. Las dos fuentes más comunes de energía química biológica son la fotosíntesis en las plantas y la respiración en los animales. En la fotosíntesis, las plantas usan un pigmento especial llamado clorofila para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. Luego, el hidrógeno se combina con el carbono del medio ambiente para producir moléculas de carbohidratos que la planta puede usar como energía. La respiración celular es el proceso inverso, que utiliza oxígeno para oxidar o quemar una molécula de carbohidrato como la glucosa en una molécula transportadora de energía llamada ATP, que puede ser utilizada por células individuales.

Aunque puede no parecer obvio al principio, la combustión, como ocurre en los motores de gas, es una reacción química biológica que usa oxigeno en el aire para quemar combustible y accionar un cigüeñal. La gasolina es un combustible fósil derivado de compuestos orgánicos. Pero, por supuesto, no toda la energía química es biológica. Cualquier cambio en los enlaces químicos de una molécula implica la transferencia de energía química. La quema de fósforo en el extremo de una cerilla es una reacción química que produce energía química en el forma de luz y calor usando el calor del golpe para iniciar el proceso y el oxígeno del aire para continuar incendio. La energía química producida por una barra luminosa activada es principalmente ligera con muy poco calor.

Las reacciones químicas inorgánicas también se utilizan con frecuencia para sintetizar productos deseados o reducir los indeseables. La gama de reacciones químicas que producen energía química es bastante amplia, desde la simple reorganización de un molécula única o combinación simple de dos moléculas, hasta interacciones complejas con múltiples compuestos de varios pH nivel. La velocidad de una reacción química generalmente depende de la concentración de los materiales reactivos, el área de superficie disponible entre esos reactivos, la temperatura y la presión del sistema. Una reacción dada tendrá una velocidad regular dadas estas variables y puede ser controlada por ingenieros que manipulen estos factores.

En algunos casos, se requiere la presencia de un catalizador para iniciar una reacción o para crear una velocidad de reacción significativa. Debido a que el catalizador en sí mismo no se cambia en la reacción, se puede usar una y otra vez. Un ejemplo común es el convertidor catalítico en el sistema de escape de un automóvil. La presencia de metales del grupo del platino y otros catalizadores reduce las sustancias nocivas a otras más benignas. Las reacciones típicas en un convertidor catalítico son la reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno, oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono y oxidación de hidrocarburos no quemados a dióxido de carbono y agua.