انرژی شیمیایی چیست؟

اصطلاح «انرژی شیمیایی» می‌تواند چیزهای زیادی را به ذهن متبادر کند، اما سوال اصلی این است که این انرژی چیست؟ خب، انرژی شیمیایی چیزی است که به بدن ما اجازه می‌دهد به کار خود ادامه دهد، برق تولید کند و غیره. به عبارت ساده‌تر، ما، به همراه هر موجود زنده‌ای روی این سیاره، برای زنده ماندن به انرژی شیمیایی نیاز داریم.

انرژی شیمیایی یک منبع انرژی بالقوه است که در اتم‌ها، الکترون‌ها و پیوندهای مولکولی که جهان اطراف ما را تشکیل می‌دهند، ذخیره می‌شود. از اینجا، برای آزاد کردن انرژی، چندین فرآیند و واکنش شیمیایی را پشت سر می‌گذارد.

این موضوع به طور طبیعی به چند سوال منجر می‌شود: این انرژی چه شکلی به خود می‌گیرد، چگونه می‌توانیم آن را اندازه‌گیری کنیم و از آن برای چه چیزی استفاده می‌کنیم؟ بیایید چند مثال بزنیم تا به شما در درک بهتر آنچه در این بخش حیاتی شیمی وجود دارد، کمک کنیم.

چند نوع مختلف انرژی شیمیایی وجود دارد؟

وقتی صحبت از انرژی شیمیایی می‌شود، هر چیزی که بتوان آن را منبع سوخت در نظر گرفت، حاوی آن است. این بدان معناست که تقریباً انواع بی‌شماری از انرژی شیمیایی وجود دارد، اما در اینجا چند مثال آورده شده است:

• فتوسنتز – جایی که انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود
• باتری‌های شیمیایی – ترکیبات شیمیایی درون آن امکان ذخیره انرژی و سپس تبدیل آن به برق را فراهم می‌کنند
• سوختن سوخت – زغال سنگ، چوب، نفت، زیست توده و هر منبع سوخت قابل اشتعال دیگری را می‌توان سوزاند تا انرژی شیمیایی را به گرما و نور آزاد کند

نکات کلیدی

• انرژی شیمیایی نوعی انرژی پتانسیل ذخیره شده در اتم‌ها، الکترون‌ها و پیوندهای مولکولی است
• انرژی زمانی آزاد می‌شود که این پیوندها شکسته شوند، معمولاً از طریق واکنش‌های گرمازا مانند احتراق یا متابولیسم
• انرژی شیمیایی در فرآیندهایی مانند فتوسنتز و همچنین در منابعی مانند غذا، سوخت‌ها و باتری‌ها یافت می‌شود
• مقدار آن با محاسبه اختلاف انرژی بین واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در طول یک واکنش تعیین می‌شود

کجا می‌توانید انرژی شیمیایی را پیدا کنید؟

انرژی شیمیایی را می‌توان در دو مکان کلیدی در سطح مولکولی و اتمی یافت:

درون اتم

انرژی شیمیایی در پیوندهایی که ترکیبات شیمیایی را تشکیل می‌دهند ذخیره می‌شود. این بدان معناست که انرژی شیمیایی معمولاً در اتم‌ها و مولکول‌های درون هر موجود زنده وجود دارد. وقتی انرژی به این شکل ذخیره می‌شود، می‌توان آن را به دو دسته طبقه‌بندی کرد: انرژی هسته‌ای و انرژی شیمیایی.

انرژی هسته‌ای زمانی آزاد می‌شود که هسته‌ها یا شکافته می‌شوند یا به شکل تابش الکترومغناطیسی، از جمله پرتوهای گاما، گرما و ذرات زیر اتمی، با هم ترکیب می‌شوند. اینها نمونه‌هایی از انرژی شیمیایی نیستند زیرا از طریق واپاشی هسته‌ای یا واکنش‌های هسته‌ای تولید می‌شوند. انرژی شیمیایی زمانی آزاد می‌شود که پیوندهای مولکولی شکسته شوند یا در طول یک واکنش معمولاً گرمازا تشکیل شوند.

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 هسته‌ای یا فرآیندهای هسته‌ای که در داخل هسته‌های اتمی ما اتفاق می‌افتد، استفاده نمی‌کنیم.

انرژی شیمیایی در اتم‌ها و مولکول‌های هر موجود زنده وجود دارد.

سطوح انرژی و الکترون‌ها

واکنش‌های شیمیایی که انرژی آزاد می‌کنند معمولاً گرمازا هستند، یعنی گرما آزاد می‌کنند. این واکنش‌ها همچنین می‌توانند 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.

میزان انرژی شیمیایی آزاد شده در این زمینه‌ها مستقیماً با سرعت واکنش متناسب است. واکنش‌پذیری با نحوه چیدمان الکترون‌ها در سطوح یا پوسته‌های مختلف انرژی مرتبط است.

به عنوان مثال، هنگامی که اکسیژن با هیدروژن واکنش می‌دهد، سریع و انفجاری است و مقدار زیادی انرژی گرما، نور و صدا تقریباً فوراً آزاد می‌شود. در مقایسه، هنگامی که اکسیژن با آهن واکنش می‌دهد، که به عنوان زنگ زدن نیز شناخته می‌شود، این فرآیند کند و به سختی قابل توجه است. در این مثال، انرژی در مدت زمان طولانی‌تری آزاد می‌شود.

پیوندهای مولکولی

انرژی شیمیایی اساساً انرژی ذخیره شده در پیوندهای مولکولی است. این انرژی می‌تواند یا به طور ناگهانی آزاد شود، مانند زمانی که اکسیژن با هیدروژن واکنش می‌دهد، یا می‌تواند به تدریج و با روش خاصی آزاد شود، مانند فرآیندهای متابولیکی در بدن.

مورد اخیر توضیح می‌دهد که چرا انرژی شیمیایی در غذا، به ویژه در پیوندهای مولکولی آن، نیز یافت می‌شود. اجزای آلی موجودات زنده، مانند پروتئین‌های موجود در عضلات و گلوکز یا فروکتوز موجود در میوه‌ها، منابع انرژی شیمیایی هستند.

انرژی شیمیایی چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

قبل از اینکه بتوانیم بفهمیم انرژی شیمیایی چگونه انداز؟ه‌گیری می‌شود، ابتدا باید انرژی را تعریف کنیم. ساده‌ترین و کلاسیک‌ترین تعریف انرژی در فیزیک «ظرفیت انجام کار» است. این بدان معناست که برای انجام کاری، مقدار مشخصی از انرژی باید منتقل یا تبدیل شود.

فرمول اساسی انرژی

«کار» به عنوان حاصلضرب نیرو در مسافت تعریف می‌شود. این به معنای حرکت و جرم است، زیرا نیرو صرفاً حاصلضرب جرم و شتاب است. بنابراین، کار فقط کاربردی از انرژی است. به عنوان مثال، انرژی شیمیایی یک باتری می‌تواند برای جابجایی جرم یا شتاب دادن به جرم در فواصل از طریق استفاده از یک موتور استفاده شود.

این اساس اندازه‌گیری مکانیکی انرژی شیمیایی است. فرمول اساسی انرژی، نصف جرم ضربدر مجذور سرعت است. همچنین می‌توان آن را بر حسب توان ضربدر زمان، مانند کیلووات ساعت، بیان کرد.

فرمول اساسی مکانیکی انرژی مشتقات زیادی دارد، اما همه آنها به حرکت جرم خلاصه می‌شوند. برای مثال، گرمای آب جوش در واقع ذرات آب هستند که به دلیل مقادیر زیاد انرژی به سرعت حرکت می‌کنند. همین امر در مورد هر جسم داغی نیز صادق است – به عنوان مثالی دیگر، انرژی تابشی صرفاً حاصلضرب حرکت ذرات برانگیخته است.

واحدهای اندازه‌گیری

سیستم متریک استاندارد یا واحد اندازه‌گیری SI برای انرژی، ژول (J) است. این معادل یک نیوتن نیرو است که در فاصله یک متری عمل می‌کند و می‌تواند به واحدهای اندازه‌گیری دیگر انرژی مانند کالری تبدیل شود.

به عنوان مثال، یک کالری مقدار انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای ۱ گرم آب به میزان ۱ درجه سانتیگراد است که معادل ۴.۱۸۴ ژول است. به طور مشابه، یک BTU (واحد حرارتی بریتانیا) مقدار انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای یک پوند آب به میزان ۱ درجه فارنهایت است.

انرژی شیمیایی چگونه آزاد می‌شود؟

انرژی شیمیایی تولید شده در طول یک واکنش، بسته به واکنش‌دهنده‌های درگیر، به چندین روش آزاد می‌شود. اگرچه می‌تواند به صورت نور تولید شود، اما معمولاً به شکل گرما آزاد می‌شود. این چیزی است که اپراتورهای خدمات اختلاط شیمیایی باید مراقب آن باشند تا مطمئن شوند که به سطوح ناامن نمی‌رسد یا در این فرآیند به ماشین‌آلات آسیب نمی‌رساند.

در بدن، روش اصلی آزاد شدن انرژی شیمیایی از طریق فرآیندهای متابولیک، به ویژه کاتابولیسم، است. این به سلول‌ها اجازه می‌دهد تا با شکستن پیوندهای مولکولی در غذا، انرژی ذخیره شده را آزاد کنند. در این زمینه، واکنش گرمازا است و انرژی شیمیایی آزاد می‌شود تا بدن بتواند کار کند.

در خارج از بدن، انرژی شیمیایی به روشی مشابه آزاد می‌شود: یک واکنش شیمیایی باعث شکستن پیوندهای موجود در ترکیبات می‌شود و انرژی آزاد می‌کند.

به همان روشی که بدن آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند (که اساساً به ما امکان حرکت و فعالیت می‌دهد)، انرژی شیمیایی می‌تواند به اشکال مختلفی از انرژی تبدیل شود، بسته به اینکه از کجا آزاد می‌شود. به عنوان مثال، وقتی در زغال سنگ وجود دارد، انرژی شیمیایی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود.

نحوه محاسبه انرژی شیمیایی

همانطور که قبلاً ذکر شد، واکنش‌های شیمیایی می‌توانند انرژی را آزاد کنند (گرمازا) یا جذب کنند (گرماگیر). در طول یک واکنش شیمیایی، پیوندهای مولکولی عناصر تشکیل‌دهنده یا گروه‌های شیمیایی در ترکیبات شکسته می‌شوند و پیوندهای جدیدی تشکیل می‌شوند.

محاسبه انرژی شیمیایی در یک واکنش به سادگی شامل کم کردن انرژی محصولات از انرژی واکنش‌دهنده‌ها است. این اختلاف یا آزاد می‌شود یا به صورت گرما جذب می‌شود. اگر انرژی محصولات بیشتر از انرژی واکنش‌دهنده‌ها باشد، گرما جذب می‌شود. اگر انرژی محصولات کمتر از انرژی واکنش‌دهنده‌ها باشد، گرما آزاد می‌شود.

از نظر تئوری، نوع واکنش را می‌توان پیش‌بینی کرد، چه گرماگیر باشد و چه گرمازا. با این حال، مقدار دقیق انرژی هنوز باید از طریق آزمایش شیمیایی و سایر فرآیندها به صورت تجربی تعیین شود.

بیشتر واکنش‌های شیمیایی گرمازا هستند و گرما آزاد می‌کنند، به همین دلیل است که در این مثال از افزایش دما استفاده شده است. با این حال، واکنش‌های شیمیایی گرماگیر هنوز هم شامل انرژی هستند. در این زمینه، به جای آزاد کردن انرژی، یکی از واکنش‌دهنده‌ها انرژی جذب می‌کند.

اختلاف دما در یک واکنش گرماگیر همچنان با استفاده از فرمول و واحد اندازه‌گیری استاندارد مورد استفاده برای محاسبه انرژی آزاد شده از واکنش‌های گرماده قابل اندازه‌گیری است.

انرژی شیمیایی نه تنها برای تأمین انرژی بدن ما، بلکه برای تأمین انرژی صنایع نیز استفاده می‌شود.

انرژی شیمیایی پتانسیل چیست؟

انرژی شیمیایی پتانسیل اصطلاح دیگری است که گاهی اوقات به جای انرژی شیمیایی استفاده می‌شود.

انرژی شیمیایی پتانسیل، انرژی ذخیره شده‌ای است که واکنش شیمیایی آزاد می‌کند و با قدرت و ترتیب پیوندهای تشکیل دهنده تعیین می‌شود. به طور کلی، این اصطلاح برای تعریف خروجی یک واکنش مناسب است.

در اینجا چند مثال دیگر برای بررسی آورده شده است:

نمونه‌هایی از انرژی شیمیایی

انرژی شیمیایی فرآیندهای متنوعی را در جهان ما به کار می‌گیرد. تقریباً توسط همه عملکردهای حیاتی، از تنفس و متابولیسم گرفته تا فتوسنتز، مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عبارت ساده، هر موجود زنده برای زنده ماندن به انرژی شیمیایی نیاز دارد، چه این انرژی از غذاهای ارگانیک مصرف شود و چه از ترکیبات معدنی.

اما انرژی شیمیایی فقط در داخل بدن استفاده نمی‌شود. در واقع، بزرگترین استفاده بشر از انرژی تا به امروز، سوخت فسیلی است که برای تأمین انرژی صنایع، حمل و نقل و برق استفاده می‌شود. باتری‌ها منبع رایج دیگری از انرژی شیمیایی هستند و این انرژی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند که سپس برای استفاده بعدی ذخیره می‌شود.

آتش به عنوان انرژی شیمیایی

آتش نتیجه واکنش سریع بین اکسیژن و مواد قابل احتراق است. وقتی چیزهایی مانند چوب یا زغال سنگ می‌سوزند، با اکسیژن می‌سوزند و در این فرآیند CO2 و H2O ایجاد می‌کنند.

این واکنش پیوندهای مولکولی را می‌شکند و انرژی شیمیایی ذخیره شده را به صورت گرما و نور آزاد می‌کند. این دو نمونه برجسته از چگونگی تبدیل انرژی شیمیایی به اشکال دیگر هستند.

نفت به عنوان انرژی شیمیایی

نفت یک مایع قابل اشتعال است که هنگام سوختن قادر به آزاد کردن انرژی است. بسیار شبیه به آتش. همچنین می‌تواند به اشکال دیگر ذخیره انرژی شیمیایی مانند بنزین تبدیل شود.

نفت انرژی شیمیایی را در مولکول‌های هیدروکربن خود ذخیره می‌کند. هنگامی که تصفیه و سوزانده می‌شود، می‌توان از آن برای تولید برق، تأمین انرژی خودروها و گرمایش خانه‌ها استفاده کرد.

این تطبیق‌پذیری، نفت را به سنگ بنای سیستم‌های انرژی مدرن تبدیل می‌کند، علیرغم چالش‌های زیست‌محیطی مرتبط با استفاده از آن.

غذا به عنوان انرژی شیمیایی

غذا منبع ضروری انرژی شیمیایی برای موجودات زنده است. انرژی آن در پیوندهای مولکولی مواد مغذی مانند پروتئین‌ها و چربی‌ها ذخیره می‌شود.

این مولکول‌ها از طریق هضم و تنفس سلولی تجزیه می‌شوند و انرژی‌ای آزاد می‌کنند که از رشد، حرکت و سایر عملکردهای حیاتی پشتیبانی می‌کند.

نتیجه‌گیری

انرژی شیمیایی نیرویی ضروری است که زندگی و فناوری را به پیش می‌برد. این انرژی که در همه چیز، از غذایی که می‌خوریم گرفته تا سوخت‌هایی که می‌سوزانیم، یافت می‌شود، توانایی آن در تبدیل به اشکال مختلف انرژی، زیربنای جنبه‌های بی‌شماری از زندگی است که ما بدیهی می‌دانیم.

در حالی که چالش‌هایی برای غلبه بر برخی از منابع رایج انرژی شیمیایی وجود دارد، درک اندازه‌گیری و کاربردها، به ما کمک می‌کند تا این شکل حیاتی انرژی را بهتر درک کرده و برای پیشرفت پایدار از آن استفاده کنیم.