الكيمياء والطاقة الكيميائية في كل مكان حولنا. هم حتى جزء منا، فالطاقة الكيميائية جزء من الحياة اليومية. لكن ما هي هذه الطاقة؟
نتعامل مع التغيير الكيميائي عندما تعمل المركبات الكيميائية وتتفاعل على المستوى الجزيئي. يمكن العثور على الطاقة الكيميائية في البطاريات والمواد الغذائية والخشب والمفرقعات النارية والسيارات وغيرها من العناصر اليومية التي نستخدمها في حياتنا.
ما هي الطاقة الكيميائية؟
الطاقة الكيميائية هي واحدة من ستة أشكال أساسية للطاقة: الكيميائية والكهربائية والإشعاعية والميكانيكية والحرارية والنووية. في حين أن هناك أشكالًا أخرى من الطاقة (الكهروكيميائية والصوتية والكهرومغناطيسية)، فإنها عادة ما تكون مزيجًا من الأشكال الستة الأساسية.
علاوة على ذلك، يمكن دمج هذه الأشكال الستة من الطاقة لتوليد الطاقة بالاعتماد على شكل أو آخر. الطاقة مطلوبة للقيام بالعمل. من منظور العلم، “الشغل” هو القوة اللازمة لتحريك جسم ما على مسافة.
بالنسبة للطاقة الكيميائية، يعني ذلك إطلاق الطاقة عندما تخضع طاقة الوضع الكيميائي لتفاعل كيميائي. عندما نقوم بتسخير الطاقة المنبعثة، يمكن تنفيذ العمل على نطاق كبير أو صغير، من النجوم المحترقة إلى احتكاك إصبعك الصغير.
الطاقة الكيميائية موجودة في روابط المركبات الكيميائية على المستوى الجزيئي. عندما يكون هناك تفاعل كيميائي بين جزيئات المركبات الكيميائية، قد تتكون مادة جديدة، وقد يتم إطلاق الطاقة.
عندما يتم إطلاق هذه الطاقة ، يمكن جعلها لأداء العمل. لكن عندما تغلي الماء، فإنك توجد تفاعلاً ماصاً للحرارة لأن الماء يمتص الحرارة. وبالمثل، عندما يتكثف غاز (في هذا المثال، بخار) إلى سائل، فإنه يطلق حرارة، وهي عملية طاردة للحرارة.
المحتوى الحراري هو مفهوم أساسي في كيفية استخدام الطاقة. تحدد المحتوى الحراري للنظام الطاقة اللازمة لكسر أو تكوين روابط كيميائية داخل هذا النظام.
على الرغم من أن الروابط الكيميائية، في معظمها، لا تنكسر أو تتشكل تلقائيًا؛ الطاقة مطلوبة. ومن المثير للاهتمام، أنه يمكن قياس التغير في المحتوى الحراري فقط، وليس كميته. في مثالنا أعلاه، يمكننا قياس التغير في درجة الحرارة أو بخار الماء.
إقرأ أيضاً… ما هي حالات المادة الخمسة؟ وما هي حالة تكاثف بوز-آينشتاين؟
أي تفاعل كيميائي يمتص الطاقة؟
عندما يستخدم تفاعل كيميائي أو يمتص طاقة أكثر مما يطلقه، يطلق عليه تفاعل ماص للحرارة. أثناء امتصاص الطاقة، تنكسر الروابط الجزيئية لمركب كيميائي وتنتج روابط جديدة.
تؤدي التفاعلات الماصّة للحرارة إلى انخفاض درجة الحرارة. بعض الأمثلة على هذا الانخفاض في درجة الحرارة هي ذوبان مكعبات الثلج وتبخر الماء.
مع الحرارة (المحيطة أو المطبقة)، تتحول مكعبات الثلج من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. وبالمثل، فإن تبخير الماء يغير الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، وكلاهما تفاعلان ماصان للحرارة.
التمثيل الضوئي هو مثال آخر على تفاعل ماص للحرارة. عندما يقوم ضوء الشمس (الطاقة المشعة) بتدفئة النبات، فإنه يحول ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء إلى أكسجين وجلوكوز وماء.
ما التفاعلات الكيميائية التي تطلق الطاقة؟
عندما تطلق التفاعلات الكيميائية الطاقة، فإنها تسمى تفاعلات طاردة للحرارة. أثناء التفاعلات الطاردة للحرارة، تطلق الروابط الكيميائية طاقة أكثر مما تستخدمه لإنشاء منتجاتها النهائية.
نتيجة لذلك، تنخفض درجة الحرارة في التفاعلات الماصة للحرارة. تنتج عدة تفاعلات طاردة للحرارة طاقة: الاحتراق والتآكل والمعادلة والتفاعلات المائية.
مثال على تفاعل الاحتراق هو ببساطة ضرب عود ثقاب. يمكن أن يكون تفاعل التآكل عبارة عن معدن صدأ أو إبريق شاي باهت، نتيجة الأكسدة.
يحدث التعادل عندما تجمع بين حمض وقاعدة؛ أحد الأمثلة النموذجية هو استخدام مضادات الحموضة (القاعدة) لعلاج حرقة المعدة (الناتجة عن حمض المعدة). أخيرًا، يحدث تفاعل طارد للحرارة قائم على الماء عندما يتشكل الجليد لأن الحرارة من الماء تتبدد في الهواء المحيط البارد.
ما الدور الذي تلعبه الديناميكا الحرارية في الطاقة الكيميائية؟
يمكن التنبؤ بالكيمياء: ستنتج العملية الكيميائية نفس النتيجة في ظل ظروف محددة. الديناميكا الحرارية، التي تحكم العلاقات بين الطاقة والعمل والتدفق بينهما، تدعم قوى الطاقة.
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية (قانون حفظ الطاقة) على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة. بمعنى آخر، كمية الطاقة هي نفسها دائمًا في كل مكان في الكون.
ومع ذلك، يمكن أن تغير الأشكال. لقد رأينا كيف تتشكل تغيرات الطاقة الكيميائية في مناقشتنا للطاقة الماصّة للحرارة والطاقة الطاردة للحرارة.
يتعامل القانونان الآخران للديناميكا الحرارية مع تأثيرات الانتروبيا، وهي خاصية ديناميكية حرارية تحدد الطاقة الحرارية لنظام معين لكل وحدة درجة حرارة غير متاحة للقيام بعمل.
هذا كثير لتفريغه. على سبيل المثال، ضع في اعتبارك نار المعسكر. تبدأ بسجل يمثل شكلاً من أشكال الطاقة الكامنة. فقط عندما تحرق السجل، يتم إطلاق الطاقة.
تملي الانتروبيا أن تدفق الطاقة في مثالنا يتحرك للخارج كطاقة مشعة وضوء. عند مناقشة القيم الديناميكية الحرارية، يشير العلماء إلى العلاقة بين نظام محدد أو مغلق ومحيطه. في مثالنا، سجل الحرق عبارة عن نظام مغلق. تنتقل الطاقة المشعة والضوء من هذا النظام إلى الهواء المحيط.
ما هي أمثلة على الطاقة الكيميائية في الحياة اليومية؟
هل تتذكر عندما كنت طفلاً عندما قدمت بركانًا في معرض العلوم بالمدرسة؟ أو ربما تكون أحد الوالدين وقد فعل طفلك ذلك.
في كلتا الحالتين، هناك احتمالات بأن تكون صودا الخبز والخل (بارد) أو الخميرة وبيروكسيد الهيدروجين (ساخن) متورطين في محاكاة ثوران بركاني. اعتمادًا على المكونات التي استخدمتها ، فإنها تمثل تفاعلات كيميائية ماصة للحرارة وطاردة للحرارة، على التوالي.
تشمل الأمثلة اليومية الأخرى للطاقة الكيميائية ما يلي:
- يحول جسمك الطعام الذي تتناوله عن طريق الهضم لإنتاج طاقة كيميائية عن طريق تحويل الكربوهيدرات إلى جلوكوز. ينقل مجرى الدم الجلوكوز إلى جميع الخلايا في جسمك. بعد ذلك، يستخدم جسمك الطاقة الكيميائية التي يوفرها الجلوكوز.
- ينتج عن حرق الهيدروكربونات في الوقود الأحفوري، مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم، طاقة حرارية.
- يعمل البنزين، وهو شكل آخر من أشكال الوقود الأحفوري، على تشغيل السيارات والمولدات.
- يعمل الغاز الطبيعي على تدفئة المنازل وتوليد الكهرباء عند الاحتراق.
إقرأ أيضاً… كيف تشتعل النار؟
كيف يتم استخدام الطاقة الكيميائية؟
تخضع الطاقة الكيميائية، الموجودة في العديد من الجزيئات الغنية بالطاقة على الأرض، لإحدى التفاعلات العديدة لتصبح طاقة حركية.
على سبيل المثال، الأكسجين هو الجزيء الأكثر شيوعًا الذي يحتوي على الطاقة الكيميائية. عند الاشتعال، يخضع الأكسجين الممزوج بالهيدروكربونات مثل الوقود الأحفوري والخشب والمواد النباتية الأخرى أو الوقود الحيوي لعملية تحول كيميائي لإطلاق الطاقة.
ما هي عيوب الطاقة الكيميائية؟
الطاقة الكيميائية لها بعض “السلبيات” التي يجب ذكرها. بالنسبة للمبتدئين، الطاقة الكيميائية ليست شكلاً نظيفًا للطاقة. معظم أشكال الطاقة الكيميائية ممكنة فقط من خلال الاحتراق، أو أشكال الاستهلاك الأخرى، أو إنتاج المنتجات الثانوية.
غالبًا ما تكون الانبعاثات نتيجة ثانوية لتلك العمليات، والتي يمكن أن تؤثر سلبًا على الكوكب. لا تعتبر موارد الطاقة الكيميائية أيضًا مصادر طاقة متجددة حيث يجب تجديدها.
فكر في العودة إلى نار الشواء. تم استنفاد السجل الذي كان يحترق على النار طوال هذا الوقت، تاركًا الرماد. من المستحيل تحويل الرماد إلى خشب؛ يمكننا فقط وضع سجل آخر على النار.
الأسئلة الأكثر شيوعاً.
- ما معنى الطاقة الكيميائية؟
يتم احتواء الطاقة في روابط مركبات كيميائية. أثناء تفاعل كيميائي، يمكن أن تنبعث طاقة كيميائية، غالبًا في شكل حرارة؛ يشار إلى هذه التفاعلات على أنها طاقة طاردة للحرارة. باستخدام التحليل الكهربائي، قد توفر الطاقة الكيميائية في البطارية أيضًا وقودًا كهربائيًا.
- ما هي الطاقة الكيميائية بكلمات بسيطة؟
الطاقة الكيميائية هي الطاقة، بما في ذلك الذرات والجزيئات، الموجودة في روابط المركبات الكيميائية. عندما يحدث تفاعل كيميائي، يتم إطلاق هذه الطاقة. عادة، يتم تحويل المادة إلى مادة جديدة تمامًا بمجرد إطلاق الطاقة الكيميائية من المادة.
- ما هو مثال على الطاقة الصوتية؟
إذا تم جعل الكيان يهتز، يتم إنتاج طاقة صوتية. تنتقل الطاقة الصوتية في كلا الاتجاهين مثل الأمواج. يتطلب الصوت، مثل الهواء والماء والخشب وحتى المعدن، وسيطًا للتنقل خلاله! أمثلة: الأصوات والصفارات والآلات الموسيقية والأبواق.
- ما هي الطاقة الكيميائية في الجسم؟
شكل الطاقة الكامنة التي تحتوي عليها الطاقة في الروابط الكيميائية هو الطاقة الكيميائية. يتم تحويل بعض الطاقة الكيميائية الموجودة في الشريط إلى جزيئات الوقود التي يحتاجها الجسم، ولكن ينبعث بعضها، مثل الحرارة، على سبيل المثال.
- ما هو مثال على الطاقة الكيميائية؟
غالبًا ما تسمى المواد الكيميائية “نقية” لتمييزها عن المخاليط. مثال شائع لمادة كيميائية هو الماء النقي. له نفس الخصائص ونفس نسبة الهيدروجين إلى الأكسجين سواء تم عزله من النهر أو صنعه في المختبر.