Hoe werkt chemische energie?

Chemische energie vindt zijn oorsprong in de interacties van atomen en moleculen. Over het algemeen is er een herschikking van elektronen en protonen, een zogenaamde chemische reactie, die elektrische ladingen produceren. De wet van behoud van energie bepaalt dat energie kan worden getransformeerd of omgezet, maar nooit kan worden vernietigd. Daarom zal een chemische reactie die de energie in een systeem verlaagt, bijdragen aan de energie die verloren gaat aan de omgeving, meestal als warmte of licht. Als alternatief zal een chemische reactie die de energie in een systeem verhoogt, deze extra energie uit de omgeving hebben gehaald.

Biologisch leven is afhankelijk van chemische energie. De twee meest voorkomende bronnen van biologische chemische energie zijn fotosynthese in planten en ademhaling bij dieren. Bij fotosynthese gebruiken planten een speciaal pigment, chlorofyl genaamd, om water te scheiden in waterstof en zuurstof. De waterstof wordt vervolgens gecombineerd met koolstof uit de omgeving om koolhydraatmoleculen te produceren die de plant vervolgens als energie kan gebruiken. Cellulaire ademhaling is het omgekeerde proces, waarbij zuurstof wordt gebruikt om een ​​koolhydraatmolecuul zoals glucose te oxideren of te verbranden tot een energiedragend molecuul genaamd ATP, dat door individuele cellen kan worden gebruikt.

Hoewel het op het eerste gezicht misschien niet voor de hand liggend lijkt, is verbranding zoals die optreedt in gasmotoren een biologische chemische reactie die: gebruikt zuurstof in de lucht om brandstof te verbranden en een krukas aan te drijven. Benzine is een fossiele brandstof die is afgeleid van organische verbindingen. Maar niet alle chemische energie is natuurlijk biologisch. Elke verandering in de chemische bindingen van een molecuul omvat de overdracht van chemische energie. Het verbranden van fosfor aan het uiteinde van een lucifer is een chemische reactie die chemische energie produceert in de vorm van licht en warmte met behulp van warmte van het slaan om het proces te starten en zuurstof uit de lucht om door te gaan brandend. De chemische energie die wordt geproduceerd door een geactiveerde glowstick is meestal licht met heel weinig warmte.

Anorganische chemische reacties worden ook vaak gebruikt om gewenste producten te synthetiseren of ongewenste producten te verminderen. Het scala aan chemische reacties die chemische energie produceren, is vrij groot, variërend van eenvoudige reorganisatie van a enkel molecuul of eenvoudige combinatie van twee moleculen, tot complexe interacties met meerdere verbindingen met verschillende pH niveau. De snelheid van een chemische reactie hangt in het algemeen af ​​van de concentratie van de reactanten, het beschikbare oppervlak tussen die reactanten, de temperatuur en de druk van het systeem. Een bepaalde reactie zal een regelmatige snelheid hebben gezien deze variabelen, en kan worden gecontroleerd door ingenieurs die deze factoren manipuleren.

In sommige gevallen is de aanwezigheid van een katalysator vereist om een ​​reactie te starten of om een ​​significante reactiesnelheid te creëren. Omdat de katalysator zelf niet verandert in de reactie, kan deze steeds opnieuw worden gebruikt. Een bekend voorbeeld is de katalysator in het uitlaatsysteem van een auto. De aanwezigheid van metalen uit de platinagroep en andere katalysatoren reduceert schadelijke stoffen tot meer goedaardige. Typische reacties in een katalysator zijn reductie van stikstofoxiden tot stikstof en zuurstof, oxidatie van koolmonoxide tot kooldioxide, en oxidatie van onverbrande koolwaterstoffen tot kooldioxide en water.