Come funziona l'energia chimica?

L'energia chimica ha origine nelle interazioni di atomi e molecole. Generalmente, c'è un riarrangiamento di elettroni e protoni, chiamato reazione chimica, che produce cariche elettriche. La legge sulla conservazione dell'energia stabilisce che l'energia può essere trasformata o convertita ma mai distrutta. Pertanto, una reazione chimica che riduce l'energia in un sistema contribuirà all'energia persa nell'ambiente, solitamente sotto forma di calore o luce. In alternativa, una reazione chimica che aumenta l'energia in un sistema avrà prelevato questa energia aggiuntiva dall'ambiente.

La vita biologica dipende dall'energia chimica. Le due fonti più comuni di energia chimica biologica sono la fotosintesi nelle piante e la respirazione negli animali. Nella fotosintesi, le piante usano uno speciale pigmento chiamato clorofilla per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno. L'idrogeno viene quindi combinato con il carbonio dall'ambiente per produrre molecole di carboidrati che la pianta può quindi utilizzare come energia. La respirazione cellulare è il processo inverso, utilizzando l'ossigeno per ossidare o bruciare una molecola di carboidrati come il glucosio in una molecola che trasporta energia chiamata ATP, che può essere utilizzata dalle singole cellule.

Sebbene all'inizio possa non sembrare ovvio, la combustione come avviene nei motori a gas è una reazione chimica biologica che biological usa l'ossigeno nell'aria per bruciare carburante e azionare un albero a gomiti. La benzina è un combustibile fossile derivato da composti organici. Ma non tutta l'energia chimica è biologica, ovviamente. Qualsiasi cambiamento nei legami chimici di una molecola comporta il trasferimento di energia chimica. La combustione del fosforo sull'estremità di un fiammifero è una reazione chimica che produce energia chimica nel forma di luce e calore che utilizza il calore della percussione per avviare il processo e l'ossigeno dall'aria per continuare bruciando. L'energia chimica prodotta da un bastoncino luminoso attivato è principalmente luce con pochissimo calore.

Anche le reazioni chimiche inorganiche sono spesso utilizzate per sintetizzare i prodotti desiderati o ridurre quelli indesiderati. La gamma di reazioni chimiche che producono energia chimica è piuttosto vasta e va dalla semplice riorganizzazione di a singola molecola o semplice combinazione di due molecole, ad interazioni complesse con più composti di vario pH livello. La velocità di una reazione chimica generalmente dipende dalla concentrazione dei materiali reagenti, dalla superficie disponibile tra quei reagenti, dalla temperatura e dalla pressione del sistema. Una data reazione avrà una velocità regolare date queste variabili e può essere controllata dagli ingegneri che manipolano questi fattori.

In alcuni casi, è necessaria la presenza di un catalizzatore per avviare una reazione o per creare una velocità di reazione significativa. Poiché il catalizzatore stesso non viene modificato nella reazione, può essere utilizzato più e più volte. Un esempio comune è il convertitore catalitico in un sistema di scarico di un'automobile. La presenza di metalli del gruppo del platino e altri catalizzatori riduce le sostanze nocive in sostanze più benigne. Le reazioni tipiche in un convertitore catalitico sono la riduzione degli ossidi di azoto in azoto e ossigeno, ossidazione del monossido di carbonio ad anidride carbonica e ossidazione degli idrocarburi incombusti ad anidride carbonica e acqua.