L'energia química constitueix el potencial inherent a una substància química per sotmetre's a una transformació mitjançant una reacció química o esdevenir altres substàncies químiques. La formació o la ruptura d'enllaços químics implica la presència i la gestió d'energia. Aquest procés energètic es pot manifestar com a absorció o alliberament dins un sistema químic.
Les reaccions químiques, segons la seva naturalesa, tenen la capacitat d'alliberar o absorbir energia, revelant així la dinàmica intrínseca i diversa de l'energia química al món molecular.
En aquest article us expliquem els condeptes fonamentals d'aquest tipus d'energia.
Què és lenergia química?
L'energia química és la forma d'energia potencial emmagatzemada a les connexions entre àtoms i molècules. Es manifesta durant les reaccions químiques quan els enllaços entre àtoms es formen o es trenquen. Aquesta energia és present en una varietat de sistemes, des d'aliments fins a combustibles fòssils.
Quan els enllaços químics es formen, s'absorbeix energia; quan es trenquen, sallibera energia. L'energia química és fonamental per entendre fenòmens biològics, com ara la respiració cel·lular i la fotosíntesi, així com processos industrials i la generació d'energia.
Exemples denergia química
A continuació, uns quants exemples d'energia química:
Combustibles Fòssils: Els hidrocarburs com el petroli, el gas natural i el carbó contenen energia química emmagatzemada als seus enllaços moleculars. Aquesta energia sallibera durant la combustió.- Bateries: Emmagatzemen energia a través de reaccions electroquímiques entre els seus components, convertint-la en energia elèctrica durant la descàrrega.
- Aliments: Aquest tipus d'energia es troba als enllaços moleculars de les molècules orgàniques presents als aliments, alliberant-se durant la digestió.
- Piles i acumuladors: Emmagatzemen energia química, alliberant-la com a energia elèctrica quan es completa el circuit.
- Explosius: Substàncies com la pólvora contenen energia química concentrada als seus enllaços moleculars, alliberant-la durant reaccions explosives.
- Hidrogen: Pot emmagatzemar energia en la forma gasosa o líquida i s'utilitza com a combustible en cel·les de combustible per generar electricitat mitjançant reaccions químiques amb oxigen.
- Biomassa: La fusta o residus orgànics emmagatzemen aquest tipus d'energia, alliberant-la durant la combustió per generar calor o electricitat.
- Fertilitzants: Alguns fertilitzants contenen compostos nitrogenats que poden alliberar energia durant processos de descomposició o reaccions químiques.
- Fotosíntesi: Les plantes, algues i alguns bacteris capturen l'energia de la llum solar i la converteixen en energia química emmagatzemada en molècules orgàniques, com ara la glucosa.
Tipus d'energia química
Des d'un punt de vista científic, l'energia química es pot classificar en diverses categories segons els diferents aspectes que la componen i les reaccions químiques associades.
A continuació mostrem una llista completa dels tipus denergia química:
- Energia d'enllaç L'energia d'enllaç és l'energia requerida per trencar un enllaç químic i formar àtoms o molècules separades. La formació i el trencament d'enllaços contribueixen a les reaccions químiques i poden alliberar o absorbir energia.
- Energia d'activació : L'energia mínima necessària per iniciar una reacció química. Representa la barrera que cal superar perquè la reacció passi.
- Energia de reacció : és la quantitat d'energia absorbida o alliberada durant una reacció química. Es mesura per la diferència entre lenergia dels productes i els reactius. Pot ser exotèrmica (llibera energia) o endotèrmica (absorbeix energia). La seva comprensió és crucial per entendre el comportament de les substàncies a les transformacions químiques.
- Energia potencial d'interaccions electrostàtiques : L'energia associada amb les interaccions atractives o repulsives entre càrregues elèctriques presents en la matèria, com les que es troben en enllaços iònics o covalents.
- Energia cinètica d'electrons : L'energia associada amb el moviment dels electrons al voltant del nucli d'un àtom. La distribució delectrons en els nivells denergia afecta les propietats químiques dun element.
- Energia nuclear : L'energia present al nucli d'un àtom, relacionada amb la unió de partícules subatòmiques com a protons i neutrons. Els processos nuclears, com la fissió i la fusió, poden alliberar o absorbir energia.
- Energia d'ionització : L'energia requerida per treure un electró d'un àtom.
- Afinitat electrònica L'energia alliberada quan s'afegeix un electró a un àtom.
- Energia de solvatació : L'energia associada amb la solvatació d'ions en un solvent.
- Energia de canvis de fase : L'energia associada amb canvis de fase, com l'evaporació o la condensació.
- Energia química en reaccions redox : L'energia alliberada o absorbida durant reaccions d'oxidació-reducció.
Energia química potencial
L'energia química potencial és una forma d'energia potencial relacionada amb la disposició estructural dels àtoms o molècules. Aquesta disposició pot ser el resultat dels enllaços químics entre les molècules.
L'energia química potencial depèn de la posició mútua de les partícules que constitueixen una substància. La força dels enllaços químics sassocia amb la distància entre els elements químics. Els enllaços més forts són els que tenen els elements químics implicats més a prop.
El terme similar de potencial químic sutilitza per indicar el potencial duna substància dexperimentar un canvi de configuració.
Química nuclear
La química nuclear és una branca de la química que s'ocupa de l'estudi dels aspectes químics següents:
-
propietats nuclears (com l'estructura del nucli atòmic, les reaccions nuclears i la desintegració radioactiva)
-
propietats dels elements del final del sistema periòdic (per als quals és essencial la detecció de radiació nuclear)
-
fenòmens macroscòpics en què intervenen processos nuclears.
-
Aplicació de tècniques danàlisi basades en fenòmens nuclears en lestudi de problemes científics en una varietat de camps científics o tècnics.
Energia interna d'una reacció química
L'energia interna d'una reacció química és l'energia que s'allibera o s'absorbeix per una reacció química entre els àtoms de dues substàncies químiques. Aquesta energia és igual a la diferència entre la quantitat denergia dels productes i dels reactius.
Els intercanvis denergia química es produeixen en el curs de les transformacions que tenen lloc a nivell de molècules.
Tipus de reaccions químiques
Hi ha 6 tipus de reacció química:
-
Descomposició: en convertir una substància complexa en una altra substància més simple.
-
Desplaçament simple: es produeix quan un àtom duna substància es transfereix a una altra substància.
-
Desplaçament doble: els àtoms de dues substàncies s'intercanvien els uns amb els altres.
-
Combustió: en elevar la temperatura d'un combustible (per exemple carbó) es generen reaccions químiques que alliberen calor.
-
Síntesi: és lenergia que es desprèn quan es forma una substància més complexa a partir de dues substàncies simples.
Un cas particular: els combustibles fòssils
Un terme addicional de rellevància és el "calor de combustió", que representa l'energia alliberada durant una reacció de combustió. Aquest concepte s'empra sovint en l'anàlisi dels combustibles fòssils.
Els combustibles allotgen energia química, la qual es transforma en energia mecànica mitjançant la combustió, especialment en motors tèrmics. Aquesta conversió possibilita la transformació directa de lenergia resultant de la reacció química de la combustió en energia elèctrica o mecànica.