Chemische Energie ist das inhärente Potenzial einer chemischen Substanz, sich durch eine chemische Reaktion umzuwandeln oder in andere chemische Substanzen umgewandelt zu werden. Die Bildung oder das Aufbrechen chemischer Bindungen setzt das Vorhandensein und die Verwaltung von Energie voraus. Dieser energetische Prozess kann sich als Absorption oder Freisetzung innerhalb eines chemischen Systems manifestieren.
Chemische Reaktionen haben je nach ihrer Natur die Fähigkeit, Energie freizusetzen oder zu absorbieren und offenbaren so die intrinsische und vielfältige Dynamik chemischer Energie in der molekularen Welt.
In diesem Artikel erklären wir die grundlegenden Konzepte dieser Art von Energie.
Was ist chemische Energie?
Chemische Energie ist die Form potentieller Energie, die in den Verbindungen zwischen Atomen und Molekülen gespeichert ist. Es manifestiert sich bei chemischen Reaktionen, wenn Bindungen zwischen Atomen gebildet oder aufgebrochen werden. Diese Energie ist in einer Vielzahl von Systemen vorhanden, von Nahrungsmitteln bis hin zu fossilen Brennstoffen.
Bei der Bildung chemischer Bindungen wird Energie absorbiert; Wenn sie brechen, wird Energie freigesetzt. Chemische Energie ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis biologischer Phänomene wie Zellatmung und Photosynthese sowie industrieller Prozesse und Energieerzeugung.
Beispiele für chemische Energie
Hier einige Beispiele für chemische Energie:
Fossile Brennstoffe: Kohlenwasserstoffe wie Öl, Erdgas und Kohle enthalten chemische Energie, die in ihren molekularen Bindungen gespeichert ist. Diese Energie wird bei der Verbrennung freigesetzt.- Batterien: Sie speichern Energie durch elektrochemische Reaktionen zwischen ihren Komponenten und wandeln sie beim Entladen in elektrische Energie um.
- Nahrung: Diese Art von Energie findet sich in den molekularen Bindungen der in der Nahrung vorhandenen organischen Moleküle und wird bei der Verdauung freigesetzt.
- Batterien und Akkumulatoren: Sie speichern chemische Energie und geben sie nach Abschluss des Stromkreises als elektrische Energie ab.
- Sprengstoffe: Substanzen wie Schießpulver enthalten chemische Energie, die in ihren molekularen Bindungen konzentriert ist und bei explosiven Reaktionen freigesetzt wird.
- Wasserstoff: Er kann Energie in gasförmiger oder flüssiger Form speichern und wird als Brennstoff in Brennstoffzellen verwendet, um durch chemische Reaktionen mit Sauerstoff Strom zu erzeugen.
- Biomasse: Holz oder organische Abfälle speichern diese Art von Energie und geben sie bei der Verbrennung zur Erzeugung von Wärme oder Strom ab.
- Düngemittel: Einige Düngemittel enthalten Stickstoffverbindungen, die bei Zersetzungsprozessen oder chemischen Reaktionen Energie freisetzen können.
- Photosynthese: Pflanzen, Algen und einige Bakterien fangen Energie aus dem Sonnenlicht ein und wandeln sie in chemische Energie um, die in organischen Molekülen wie Glukose gespeichert ist.
Arten chemischer Energie
Aus wissenschaftlicher Sicht kann chemische Energie anhand der verschiedenen Aspekte, aus denen sie besteht, und der damit verbundenen chemischen Reaktionen in mehrere Kategorien eingeteilt werden.
Nachfolgend zeigen wir eine vollständige Liste der Arten chemischer Energie:
- Bindungsenergie : Bindungsenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um eine chemische Bindung aufzubrechen und separate Atome oder Moleküle zu bilden. Die Bildung und das Aufbrechen von Bindungen tragen zu chemischen Reaktionen bei und können Energie freisetzen oder absorbieren.
- Aktivierungsenergie : Die minimale Energie, die zum Starten einer chemischen Reaktion benötigt wird. Es stellt die Barriere dar, die überwunden werden muss, damit die Reaktion stattfinden kann.
- Reaktionsenergie : ist die Energiemenge, die während einer chemischen Reaktion absorbiert oder freigesetzt wird. Sie wird anhand der Differenz zwischen der Energie der Produkte und der Reaktanten gemessen. Es kann exotherm (Energie freisetzen) oder endotherm (Energie absorbieren) sein. Ihr Verständnis ist entscheidend, um das Verhalten von Stoffen bei chemischen Umwandlungen zu verstehen.
- Potenzielle Energie elektrostatischer Wechselwirkungen : Die Energie, die mit anziehenden oder abstoßenden Wechselwirkungen zwischen in Materie vorhandenen elektrischen Ladungen verbunden ist, wie sie beispielsweise in ionischen oder kovalenten Bindungen vorkommen.
- Kinetische Energie der Elektronen : Die Energie, die mit der Bewegung von Elektronen um den Kern eines Atoms verbunden ist. Die Verteilung der Elektronen über die Energieniveaus beeinflusst die chemischen Eigenschaften eines Elements.
- Kernenergie : Die im Atomkern vorhandene Energie, die mit der Vereinigung subatomarer Teilchen wie Protonen und Neutronen zusammenhängt. Kernprozesse wie Spaltung und Fusion können Energie freisetzen oder absorbieren.
- Ionisierungsenergie : Die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einem Atom zu entfernen.
- Elektronische Affinität : Die Energie, die freigesetzt wird, wenn einem Atom ein Elektron hinzugefügt wird.
- Lösungsenergie : Die Energie, die mit der Solvatisierung von Ionen in einem Lösungsmittel verbunden ist.
- Phasenwechselenergie : Die mit Phasenwechseln wie Verdampfung oder Kondensation verbundene Energie.
- Chemische Energie bei Redoxreaktionen : Die Energie, die bei Oxidations-Reduktions-Reaktionen freigesetzt oder absorbiert wird.
potentielle chemische Energie
Chemische potentielle Energie ist eine Form potentieller Energie, die mit der strukturellen Anordnung von Atomen oder Molekülen zusammenhängt. Diese Anordnung kann das Ergebnis chemischer Bindungen zwischen den Molekülen sein.
Die chemische potentielle Energie hängt von der gegenseitigen Position der Teilchen ab, aus denen ein Stoff besteht. Die Stärke chemischer Bindungen hängt vom Abstand zwischen chemischen Elementen ab. Die stärksten Bindungen sind diejenigen, bei denen die beteiligten chemischen Elemente am nächsten beieinander liegen.
Der ähnliche Begriff „chemisches Potenzial“ wird verwendet, um das Potenzial einer Substanz anzugeben, eine Konfigurationsänderung zu erfahren.
Kernchemie
Die Kernchemie ist ein Zweig der Chemie, der sich mit der Untersuchung der folgenden chemischen Aspekte befasst:
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Kerneigenschaften (wie die Struktur des Atomkerns, Kernreaktionen und radioaktiver Zerfall)
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Eigenschaften der Elemente am Ende des Periodensystems (für die der Nachweis nuklearer Strahlung unerlässlich ist)
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makroskopische Phänomene, in die Kernprozesse eingreifen.
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Anwendung von Analysetechniken auf der Grundlage nuklearer Phänomene bei der Untersuchung wissenschaftlicher Probleme in verschiedenen wissenschaftlichen oder technischen Bereichen.
Innere Energie einer chemischen Reaktion
Die innere Energie einer chemischen Reaktion ist die Energie, die bei einer chemischen Reaktion zwischen den Atomen zweier chemischer Substanzen freigesetzt oder absorbiert wird. Diese Energie entspricht der Differenz zwischen der Energiemenge der Produkte und der Reaktanten.
Chemische Energieaustausche finden im Zuge von Umwandlungen statt, die auf der Ebene von Molekülen stattfinden.
Arten chemischer Reaktionen
Es gibt 6 Arten chemischer Reaktionen:
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Zersetzung: Umwandlung einer komplexen Substanz in eine einfachere Substanz.
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Einfache Verschiebung: tritt auf, wenn ein Atom einer Substanz auf eine andere Substanz übertragen wird.
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Doppelte Verschiebung: Die Atome zweier Stoffe werden miteinander ausgetauscht.
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Verbrennung: Durch die Erhöhung der Temperatur eines Brennstoffs (z. B. Kohle) werden chemische Reaktionen ausgelöst, die Wärme freisetzen.
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Synthese: ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn aus zwei einfachen Stoffen ein komplexerer Stoff entsteht.
Ein besonderer Fall: fossile Brennstoffe
Ein weiterer relevanter Begriff ist „Verbrennungswärme“, der die bei einer Verbrennungsreaktion freigesetzte Energie darstellt. Dieses Konzept wird häufig bei der Analyse fossiler Brennstoffe verwendet.
Kraftstoffe enthalten chemische Energie, die durch Verbrennung, insbesondere in Wärmekraftmaschinen, in mechanische Energie umgewandelt wird. Diese Umwandlung ermöglicht die direkte Umwandlung der bei der chemischen Reaktion der Verbrennung entstehenden Energie in elektrische oder mechanische Energie.