Hur fungerar kemisk energi?

Kemisk energi har sitt ursprung i interaktioner mellan atomer och molekyler. Generellt finns det en omläggning av elektroner och protoner, kallad en kemisk reaktion, som producerar elektriska laddningar. Lagen om bevarande av energi föreskriver att energi kan omvandlas eller omvandlas men aldrig förstöras. Därför kommer en kemisk reaktion som minskar energin i ett system att bidra till den energi som går förlorad till miljön, vanligtvis som värme eller ljus. Alternativt kommer en kemisk reaktion som ökar energin i ett system att ha tagit denna extra energi från miljön.

Biologiskt liv beror på kemisk energi. De två vanligaste källorna till biologisk kemisk energi är fotosyntes i växter och andning hos djur. I fotosyntes använder växter ett speciellt pigment som kallas klorofyll för att separera vatten i väte och syre. Väte kombineras sedan med kol från miljön för att producera kolhydratmolekyler som växten sedan kan använda som energi. Cellandning är den omvända processen, med syre för att oxidera eller bränna en kolhydratmolekyl som glukos i en energibärande molekyl som kallas ATP, som kan användas av enskilda celler.

Även om det kanske inte verkar uppenbart först, är förbränning som sker i gasdrivna motorer en biologisk kemisk reaktion som använder syre i luften för att bränna bränsle och driva en vevaxel. Bensin är ett fossilt bränsle som härrör från organiska föreningar. Men inte all kemisk energi är naturligtvis biologisk. Varje förändring i en molekyls kemiska bindningar innebär överföring av kemisk energi. Förbränning av fosfor i slutet av en tändsticka är en kemisk reaktion som producerar kemisk energi i form av ljus och värme med hjälp av värme från slaget för att initiera processen och syre från luften för att fortsätta brinnande. Den kemiska energin som produceras av en aktiverad glödstift är mestadels lätt med mycket lite värme.

Oorganiska kemiska reaktioner används ofta för att syntetisera önskade produkter eller minska oönskade. Utbudet av kemiska reaktioner som producerar kemisk energi är ganska stort, allt från enkel omorganisation av a enkel molekyl eller enkel kombination av två molekyler, till komplexa interaktioner med flera föreningar med olika pH nivå. Hastigheten för en kemisk reaktion beror vanligtvis på koncentrationen av reaktantmaterialen, den tillgängliga ytarean mellan dessa reaktanter, temperaturen och trycket i systemet. En given reaktion kommer att ha en regelbunden hastighet med tanke på dessa variabler och kan styras av ingenjörer som manipulerar dessa faktorer.

I vissa fall krävs närvaron av en katalysator för att starta en reaktion eller för att skapa en signifikant reaktionshastighet. Eftersom katalysatorn inte i sig förändras i reaktionen kan den användas om och om igen. Ett vanligt exempel är katalysatorn i ett bilavgassystem. Närvaron av platinagruppmetaller och andra katalysatorer reducerar skadliga ämnen till mer godartade ämnen. Typiska reaktioner i en katalysator är reduktion av kväveoxider till kväve och syre, oxidation av kolmonoxid till koldioxid och oxidation av oförbrända kolväten till koldioxid och vatten.