Jak działa energia chemiczna?

Energia chemiczna pochodzi z interakcji atomów i cząsteczek. Ogólnie rzecz biorąc, zachodzi przegrupowanie elektronów i protonów, zwane reakcją chemiczną, które wytwarzają ładunki elektryczne. Prawo zachowania energii stanowi, że energia może być przekształcana lub przekształcana, ale nigdy nie może zostać zniszczona. Dlatego reakcja chemiczna, która zmniejsza energię w systemie, przyczyni się do utraty energii do środowiska, zwykle w postaci ciepła lub światła. Alternatywnie, reakcja chemiczna, która zwiększa energię w systemie, pochłonie tę dodatkową energię ze środowiska.

Życie biologiczne zależy od energii chemicznej. Dwa najczęstsze źródła biologicznej energii chemicznej to fotosynteza w roślinach i oddychanie u zwierząt. W fotosyntezie rośliny używają specjalnego pigmentu zwanego chlorofilem do rozdzielania wody na wodór i tlen. Wodór jest następnie łączony z węglem ze środowiska w celu wytworzenia cząsteczek węglowodanów, które roślina może wykorzystać jako energię. Oddychanie komórkowe to proces odwrotny, wykorzystujący tlen do utleniania lub spalania cząsteczki węglowodanu, takiej jak glukoza, w cząsteczkę przenoszącą energię zwaną ATP, która może być wykorzystywana przez poszczególne komórki.

Choć na pierwszy rzut oka może się to nie wydawać oczywiste, spalanie, takie jak w silnikach zasilanych gazem, jest biologiczną reakcją chemiczną, która: używa tlenu w powietrzu do spalania paliwa i napędzania wału korbowego. Benzyna to paliwo kopalne pochodzące ze związków organicznych. Ale oczywiście nie cała energia chemiczna jest biologiczna. Każda zmiana wiązań chemicznych w cząsteczce wiąże się z przeniesieniem energii chemicznej. Spalanie fosforu na końcu zapałki to reakcja chemiczna, która wytwarza energię chemiczną w forma światła i ciepła wykorzystująca ciepło z uderzenia do zainicjowania procesu i tlenu z powietrza do kontynuowania palenie. Energia chemiczna wytwarzana przez aktywowaną pałkę żarową to w większości światło o bardzo małej ilości ciepła.

Nieorganiczne reakcje chemiczne są również często wykorzystywane do syntezy pożądanych produktów lub redukcji niepożądanych. Zakres reakcji chemicznych, które wytwarzają energię chemiczną, jest dość szeroki, począwszy od prostej reorganizacji a pojedyncza cząsteczka lub prosta kombinacja dwóch cząsteczek, do złożonych interakcji z wieloma związkami o różnym pH poziom. Szybkość reakcji chemicznej ogólnie zależy od stężenia materiałów reagentów, powierzchni dostępnej między tymi reagentami, temperatury i ciśnienia w układzie. Dana reakcja będzie miała regularną szybkość, biorąc pod uwagę te zmienne, i może być kontrolowana przez inżynierów manipulujących tymi czynnikami.

W niektórych przypadkach do rozpoczęcia reakcji lub wytworzenia znacznej szybkości reakcji wymagana jest obecność katalizatora. Ponieważ sam katalizator nie zmienia się w reakcji, może być używany wielokrotnie. Typowym przykładem jest katalizator w układzie wydechowym samochodu. Obecność metali z grupy platynowców i innych katalizatorów redukuje szkodliwe substancje do bardziej łagodnych. Typowe reakcje w katalizatorze to redukcja tlenków azotu do azotu i tlenu, utlenianie tlenku węgla do dwutlenku węgla oraz utlenianie niespalonych węglowodorów do dwutlenku węgla i woda.