انرژی شیمیایی چیست؟

انرژی شیمیایی چیزی است که به بدن ما اجازه می دهد به عملکرد خود ادامه دهد. به عبارت ابتدایی تر، ما، همراه با هر موجود زنده روی این سیاره، برای زنده ماندن به انرژی شیمیایی نیاز داریم. از آنجایی که بیشتر در غذا یافت می شود، انرژی شیمیایی در اتم ها، الکترون ها و پیوندهای مولکولی که بدن ما را تشکیل می دهند ذخیره می شود. از اینجا، چندین فرآیند و واکنش های شیمیایی را طی می کند تا انرژی را برای ما آزاد کند.

اما این تنها مثال و یا استفاده از انرژی شیمیایی نیست. همچنین می تواند در خارج از بدن ما یافت شود و به روش های مختلف استفاده می شود. این مقاله توضیح می‌دهد که کجا می‌توانید انرژی شیمیایی را پیدا کنید، چگونه می‌توانید آن را اندازه‌گیری کنید، چگونه آزاد می‌شود و برای چه مواردی استفاده می‌شود.

از کجا می توان انرژی شیمیایی پیدا کرد؟

داخل اتم

انرژی شیمیایی در پیوندهایی که ترکیبات شیمیایی را می سازند ذخیره می شود. این بدان معناست که انرژی شیمیایی معمولاً در اتم‌ها و مولکول‌های درون هر موجود زنده وجود دارد. وقتی انرژی به این شکل ذخیره شود، می توان به دو دسته انرژی هسته ای و انرژی شیمیایی طبقه بندی کرد.

انرژی هسته ای زمانی آزاد می شود که هسته ها یا به شکل تابش الکترومغناطیسی از جمله پرتوهای گاما، گرما و ذرات زیر اتمی ذوب می شوند. اینها نمونه هایی از انرژی شیمیایی نیستند زیرا از طریق فروپاشی هسته ای یا واکنش های هسته ای تولید می شوند. انرژی شیمیایی زمانی که پیوندهای مولکولی شکسته می شوند، یا زمانی که در طی یک واکنش معمولا گرمازا تشکیل می شوند، آزاد می شود.

تفاوت دیگر این است که در حالی که بدن ما و در واقع همه موجودات زنده برای زنده ماندن به انرژی شیمیایی نیاز دارند، ما از انرژی هسته ای یا فرآیندهای هسته ای که در هسته اتم خود اتفاق می افتد استفاده نمی کنیم.

انرژی شیمیایی درون اتم ها و مولکول های هر موجود زنده ای وجود دارد

سطوح انرژی و الکترون ها

ما به طور خلاصه به آن اشاره کردیم، اما واکنش‌های شیمیایی که انرژی آزاد می‌کنند معمولا گرمازا هستند، یعنی گرما آزاد می‌کنند. این واکنش ها همچنین می توانند انرژی را به شکل نور و حتی صدا آزاد کنند. این فرآیند شامل حرکت الکترون‌ها از سطوح انرژی پایین‌تر به سطوح انرژی بالاتر و سپس بازگشت دوباره است.

مقدار انرژی شیمیایی آزاد شده در این زمینه ها با سرعت واکنش نسبت مستقیم دارد. واکنش پذیری با نحوه چیدمان الکترون ها در سطوح یا پوسته های مختلف انرژی مرتبط است.

به عنوان مثال، هنگامی که اکسیژن با هیدروژن واکنش می دهد، سریع و انفجاری است و مقادیر عظیمی از گرما، نور و انرژی صوتی تقریباً فورا آزاد می شود. در مقایسه، هنگامی که اکسیژن با آهن واکنش می دهد، که به نام زنگ زدگی نیز شناخته می شود، این فرآیند کند است و به سختی قابل توجه است. در این مثال انرژی در مدت زمان طولانی تری آزاد می شود.

پیوندهای مولکولی

انرژی شیمیایی اساساً انرژی ذخیره شده در پیوندهای مولکولی است. می تواند به طور ناگهانی آزاد شود، مانند زمانی که اکسیژن با هیدروژن واکنش می دهد، یا می تواند به تدریج و به طور روشمند آزاد شود، مانند فرآیندهای متابولیکی در بدن.

دومی توضیح می دهد که چرا انرژی شیمیایی در غذا، به ویژه در پیوندهای مولکولی آن نیز یافت می شود. ترکیبات آلی موجودات، مانند پروتئین های موجود در ماهیچه ها و گلوکز یا فروکتوز موجود در میوه ها، منابع انرژی شیمیایی هستند.

انرژی شیمیایی چگونه اندازه گیری می شود؟

قبل از اینکه بفهمیم انرژی شیمیایی چگونه اندازه گیری می شود، ابتدا باید انرژی را تعریف کنیم. ساده‌ترین و کلاسیک‌ترین تعریف انرژی در فیزیک «ظرفیت انجام کار» است. این بدان معناست که برای انجام کاری باید مقدار معینی از انرژی منتقل یا تبدیل شود.

فرمول اصلی انرژی

“کار” به عنوان حاصل ضرب نیرو و فاصله تعریف می شود. این به حرکت و جرم دلالت دارد، زیرا نیرو صرفاً حاصل جرم و شتاب است. بنابراین، کار فقط کاربرد انرژی است. به عنوان مثال، انرژی شیمیایی یک باتری را می توان برای جابجایی جرم یا شتاب دادن جرم در فواصل با استفاده از یک موتور استفاده کرد.

این مبنایی برای اندازه گیری مکانیکی انرژی شیمیایی است. فرمول اصلی انرژی نصف جرم ضرب در مجذور سرعت است. همچنین می توان آن را بر حسب توان ضرب در زمان، مانند کیلووات ساعت بیان کرد.

فرمول مکانیکی اولیه انرژی مشتقات زیادی دارد، اما همه آن به حرکت جرم خلاصه می شود. به عنوان مثال، گرمای آب در حال جوش در واقع ذرات آب هستند که به دلیل مقادیر زیاد انرژی به سرعت در حال حرکت هستند. همین امر برای هر جسم داغ نیز صادق است – به عنوان مثال دیگر، انرژی تشعشع به سادگی حاصل حرکات ذرات برانگیخته است.

واحدهای اندازه گیری

با در نظر گرفتن همه اینها، سیستم متریک استاندارد یا واحد اندازه گیری SI برای انرژی ژول (J) است. این معادل یک نیوتن نیرویی است که در فاصله یک متری عمل می کند و می تواند به اندازه گیری های دیگر انرژی مانند کالری تبدیل شود.

یک کالری مقدار انرژی مورد نیاز برای افزایش یک گرم آب به میزان 1 درجه سانتیگراد است. این باعث می شود یک کالری معادل 4.184 J. باشد. به طور مشابه، BTU یا واحد حرارتی بریتانیا، واحد انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای یک پوند آب به میزان 1 درجه فارنهایت است.

بیشتر واکنش های شیمیایی گرمازا هستند و گرما از خود ساطع می کنند. با این حال، واکنش های شیمیایی گرماگیر همچنان شامل انرژی است. در این زمینه، یکی از واکنش دهنده ها به جای آزاد کردن انرژی، انرژی را جذب می کند. تفاوت دما در یک واکنش گرماگیر هنوز با استفاده از فرمول استاندارد و واحد اندازه گیری مورد استفاده برای محاسبه انرژی آزاد شده از واکنش های گرمازا قابل اندازه گیری است.

نحوه محاسبه انرژی شیمیایی

همانطور که قبلا ذکر شد، واکنش های شیمیایی می توانند انرژی آزاد کنند (گرماداز) یا جذب (گرماداز). در طی یک واکنش شیمیایی، پیوندهای مولکولی عناصر تشکیل دهنده یا گروه های شیمیایی موجود در ترکیبات شکسته شده و پیوندهای جدیدی تشکیل می شود.

محاسبه انرژی شیمیایی در یک واکنش به سادگی شامل کم کردن انرژی محصولات از انرژی واکنش دهنده ها است. تفاوت یا آزاد می شود یا به عنوان گرما جذب می شود. اگر انرژی محصولات بیشتر از انرژی واکنش دهنده ها باشد، گرما جذب می شود. اگر انرژی محصولات کمتر از انرژی واکنش دهنده ها باشد، گرما آزاد می شود.

از نظر تئوری، نوع واکنش را می توان در واقع پیش بینی کرد، خواه گرماگیر یا گرمازا. با این حال، مقدار دقیق انرژی هنوز باید به صورت تجربی تعیین شود.

انرژی شیمیایی چگونه آزاد می شود؟

انرژی شیمیایی تولید شده در طی یک واکنش بسته به واکنش دهنده های درگیر به روش های مختلفی آزاد می شود. در حالی که می تواند به عنوان نور تولید شود، انرژی شیمیایی معمولاً به شکل گرما آزاد می شود.

در بدن، راه اصلی آزاد شدن انرژی شیمیایی از طریق فرآیندهای متابولیک، به ویژه کاتابولیسم است. این به سلول ها اجازه می دهد تا انرژی ذخیره شده را با شکستن پیوندهای مولکولی موجود در غذا آزاد کنند. در این زمینه، واکنش گرمازا است و انرژی شیمیایی آزاد می شود تا به بدن اجازه عملکرد بدهد.

در خارج از بدن، انرژی شیمیایی به روشی مشابه آزاد می شود: یک واکنش شیمیایی باعث می شود پیوندهای موجود در ترکیبات شکسته شوند و انرژی آزاد شود. همانطور که بدن آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند (که اساساً به ما امکان حرکت و کار می‌دهد)، انرژی شیمیایی بسته به جایی که از کجا آزاد می‌شود، می‌تواند به اشکال مختلفی از انرژی تبدیل شود. به عنوان مثال، هنگامی که در زغال سنگ وجود دارد، انرژی شیمیایی می تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود.

انرژی شیمیایی نه تنها برای تامین انرژی بدن ما، بلکه برای تامین انرژی صنایع نیز استفاده می شود

از انرژی شیمیایی برای چه استفاده می کنیم؟

انرژی شیمیایی کاربردهای زیادی دارد. عمدتاً توسط تقریباً همه عملکردهای حمایت کننده از زندگی، از تنفس و متابولیسم گرفته تا فتوسنتز استفاده می شود. به بیان ساده، هر موجود زنده ای برای زنده ماندن به انرژی شیمیایی نیاز دارد، چه از مواد غذایی ارگانیک و چه از ترکیبات معدنی مصرف شود.

اما انرژی شیمیایی فقط در داخل بدن استفاده نمی شود. در واقع، بزرگترین استفاده بشر از انرژی تا به امروز، سوخت فسیلی است که برای برق رسانی به صنایع، حمل و نقل و برق استفاده می شود. باتری ها یکی دیگر از منابع رایج انرژی شیمیایی هستند و این انرژی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند که برای استفاده بعدی ذخیره می شود.