انرژی شیمیایی چیست: مثال‌ها، منابع و کاربردها

این مقاله توضیح می‌دهد که انرژی شیمیایی چیست و در چه منابعی یافت می‌شود و چه کاربردی دارد. در تعاریفی ساده، انرژی شیمیایی نوعی انرژی پتانسیل است که در پیوندهای شیمیایی ماده ذخیره می‌شود. اما این تعریف ساده هرچند برای فهم کلی مسئله کافی به نظر می‌رسد، چندان دقیق و علمی نیست. در واقع، انرژی شیمیایی مستقیما در خود پیوندها ذخیره نمی‌شود بلکه از برهم‌کنش مجموعه نیروهای موثر بین هسته و الکترون‌های اتم ناشی می‌شود. وقتی واکنش شیمیایی رخ می‌دهد، پیوندهای بین اتم‌ها و مولکول‌ها می‌شکنند یا پیوندهای جدیدی شکل می‌گیرند و آنگاه (بسته به شرایط) انرژی نهفته در ماده آزاد و یا در ماده جذب می‌شود.

با ذکر این مقدمه، در ادامه انرژی شیمیایی را دقیق‌تر تعریف می‌کنیم و به مثال‌ها، کاربردها و منابع انرژی شیمیایی می‌پردازیم.

انرژی شیمیایی چیست؟

انرژی شیمیایی حاصل مجموعه برهم‌کنش‌های الکترون‌ها و هسته‌های اتم‌ است. وقتی واکنش شیمیایی رخ می‌دهد و ماده‌ای به ماده دیگر تبدیل می‌شود، میزان پایداری آرایش اتم‌ها و الکترون‌ها در ماده جدید در مقایسه با ماده قبلی معمولا تغییر می‌یابد، یعنی کمتر یا بیشتر می‌شود. همین اختلاف در میزان پایداری چینش اتم‌ها و الکترون‌ها به آزاد شدن انرژی شیمیایی یا جذب شدن انرژی شیمیایی منجر می‌شود.

توجه داشته باشید که انرژی شیمیایی همیشه پتانسیل است. پس، در واکنش‌های شیمیایی هیچگاه خودِ انرژی شیمیایی از ماده آزاد نمی‌شود یا در ماده جذب نمی‌شود، بلکه ابتدا به‌ انواع دیگری از انرژی‌ (مثل انرژی الکتریکی، مکانیکی، گرمایی یا نور) تبدیل و سپس آزاد یا جذب می‌شود. خوب است که دو نکته زیر را به یاد بسپاریم:

• هرچه آرایش هسته‌ها و الکترون‌های یک ماده پایدارتر باشد، انرژی پتانسیل شیمیایی آنها کمتر است.
• هرچه آرایش هسته‌ها و الکترون‌های یک ماده ناپایدارتر باشد، انرژی پتانسیل شیمیایی آنها بیشتر است.

یکای انرژی شیمیایی چیست؟

یکا یا واحد سنجش هر نوع انرژی از جمله انرژی شیمیایی، ژول است که آن‌را با حرف J نشان می‌دهند.

کاربرد انرژی شیمیایی چیست؟

انرژی شیمیایی چون نوعی انرژی پتانسیل است، فقط در صورت تبدیل شدن به شکل‌های دیگر انرژی (مثل مکانیکی، گرمایی، الکتریکی یا نور) می‌تواند واسطه انجام کار شود. پس در واقع، کاربرد انرژی شیمیایی، فراهم کردن منبعی برای تبدیل انرژی به گرما، برق، حرکت یا نور است.

برای مثال، باتری یکی از منابع ذخیره انرژی شیمیایی است. وقتی باتری را به برق می‌زنید تا شارژ شود، انرژی الکتریکی با ورود به الکترودهای باتری سبب انجام واکنش‌های شیمیایی می‌شود و پیوندهای جدیدی در مواد داخل باتری شکل می‌گیرند که حامل انرژی شیمیایی هستند. به عبارت دیگر، انرژی الکتریکی به‌صورت انرژی پتانسیل شیمیایی در پیوندهای شیمیایی مواد داخل باتری ذخیره می‌شود. چون انرژی شیمیایی، پتانسیل است، باتری فقط زمانی می‌تواند کار انجام دهد (مثلا وسیله برقی را به کار اندازد) که انرژی شیمیایی ذخیره شده در آن مجددا به انرژی الکتریکی تبدیل شود.

• هنگام شارژ باتری: انرژی الکتریکی وارد باتری می‌شود و به‌شکل انرژی شیمیایی ذخیره می‌شود.
• هنگام کار کردن باتری: انرژی شیمیایی ذخیره شده در باتری آزاد و به انرژی الکتریکی و بخشی از آن نیز به گرما تبدیل می‌شود.

واکنش‌های گرماگیر و گرمازا

گفتیم که وقتی واکنش شیمیایی رخ می‌دهد، پیوندهای شیمیایی شکسته می‌شوند و پیوندهای جدید شکل می‌گیرند. چنین تغییراتی همواره با تغییر انرژی همراه است. در بعضی از واکنش‌ها انرژی شیمیایی آزاد می‌شود و در بعضی دیگر از واکنش‌ها انرژی شیمیایی جذب و ذخیره می‌شود. بر همین اساس واکنش‌های شیمیایی را به دو دسته گرماگیر و گرمازا تقسیم می‌کنیم.

• واکنش گرماگیر: واکنشی است که طی آن، انرژی حرارتی از محیط جذب می‌شود. در واکنش‌های گرماگیر، مقدار انرژی ماده‌ی حاصل از واکنش بیش از مقدار انرژی مواد واکنش‌دهنده است، لذا واکنش برای پیش رفتن باید گرما جذب کند. مثال:
  • پختن غذا: پختن غذا فرآیندی شیمیایی است که شروع و ادامه آن نیازمند گرما است. هنگام پختن غذا پیوندهای شیمیایی پروتئین‌ها، نشاسته‌ها و چربی‌ها تغییر می‌کنند و برای انجام همه این کارها باید از گرما جذب شود.
  • نورساخت (فتوسنتز) در گیاهان: گیاه برای ساختن مواد غذایی مورد نیازش، از خورشید نور و گرما جذب می‌کند.
• واکنش گرمازا: واکنشی است که در اثر آن، انرژی گرمایی در محیط آزاد می‌شود. در واکنش‌های گرمازا مقدار انرژی ماده حاصل از واکنش، از مقدار انرژی مواد واکنش‌دهنده کمتر است. مثال:
  • سوختن بنزین در موتور خودرو: مقدار زیادی گرما آزاد می‌شود.
  • هضم غذا در بدن: با تجزیه مواد غذایی، در بدن انرژی و گرما آزاد می‌شود.

اگر آرایش هسته‌ها و الکترون‌ها در ماده جدید پایدارتر از آرایش آنها در ماده قبلی باشد، انرژی آزاد می‌شود و می‌گوییم واکنش، گرماده است.

اگر آرایش هسته‌ها و الکترون‌ها در ماده جدید ناپایدارتر از آرایش آنها در ماده قبلی باشد، انرژی جذب می‌شود و می‌گوییم واکنش گرماگیر است.

منشأ انرژی شیمیایی چیست؟

حالا می‌خواهیم بدانیم چه عواملی سبب می‌شوند تا در ماده انرژی شیمیایی وجود داشته باشد. انرژی شیمیایی نتیجه برهم‌کنش‌های الکترون‌ها و هسته‌ اتم‌ها در یک ماده است. این برهم‌کنش‌ها چند نوع انرژی موثر ایجاد می‌کنند. وقتی واکنش شیمیایی رخ می‌دهد، هر نوع تغییر در برهم‌کنش‌ها سبب می‌شود انرژی شیمیایی نهفته در ماده به‌‌شکل انرژی‌های دیگر از ماده آزاد یا در ماده جذب شود.

انرژی‌های موثر که برهم‌کنش آنها به ایجاد انرژی پتانسیل شیمیایی در ماده می‌انجامد عبارتند از:

1. انرژی جنبشی الکترون‌ها
2. انرژی ارتعاشی و چرخشی مولکول‌ها
3. انرژی الکترواستاتیک (کلونی) بین الکترون‌ها و هسته‌ها
4. انرژی ناشی از تغییر ساختار هندسی و فضایی مولکول‌ها
5. انرژی ناشی از پدیده‌های کوانتومی

منابع انرژی شیمیایی (انرژی شیمیایی در چه چیزهایی وجود دارد؟)

منظور از منبع انرژی شیمیایی چیست؟ هر ماده‌ای که از طریق واکنش شیمیایی بتواند انرژی آزاد کند، حامل و منبع انرژی شیمیایی است؛ از غذا که سوخت بدن انسان است گرفته تا بنزین، باتری و حتی چوب. برای مثال، مواد زیر همگی منبع انرژی شیمیایی هستند:

• مواد غذایی (قندها، چربی‌ها، کربوهیدرات‌ها و پروتئین‌ها)
• سوخت‌های زیستی (چوب، زغال چوب و…)
• سوخت‌های فسیلی (نفت، بنزین، گاز، زغال سنگ و…)
• سوخت‌های شیمیایی گازی غیرآلی (هیدروژن، آمونیاک و…)
• مواد شیمیایی اکسیدشونده در باتری‌های شیمیایی (باتری‌های سرب-اسید، باتری‌های لیتیومی و…)
• مواد منفجره شیمیایی (دینامیت، تی‌ان‌تی و…)

همه مواد دنیا بالقوه حامل انرژی شیمیایی هستند اما همه آنها منبع انرژی شیمیایی محسوب نمی‌شوند، زیرا یک ماده زمانی منبع انرژی محسوب می‌شود که بتواند در واکنش شیمیایی شرکت کند و انرژی آزاد کند. برای مثال، گازهای نجیب (مثل هلیوم، نئون و آرگون) پیوندهای شیمیایی ندارند یا بسیار ناپایدارند و تقریبا وارد هیچ واکنشی نمی‌شوند تا انرژی شیمیایی آزاد کنند. مولکول‌های پایدار غیرقطبی، مثل گاز نیتروژن (N2) و اکسیژن (O2) و نیز فلزات نجیب مثل طلا و پلاتین نیز در شرایط عادی حامل انرژی شیمیایی هستند اما منبع انرژی شیمیایی محسوب نمی‌شوند زیرا در حالت عادی انرژی نهفته در آنها قابل استخراج نیست.

مثال برای آزاد یا جذب شدن انرژی شیمیایی

بسته به نوع ماده و واکنش شیمیایی، انرژی شیمیایی ممکن است از ماده آزاد و یا در ماده جذب شود.

چند نمونه از فرآیندهایی که در آنها انرژی شیمیایی آزاد می‌شود:

• هضم شدن غذا: انرژی شیمیایی ذخیره شده در مولکول‌های ماده غذایی آزاد می‌شود.
• سوختن چوب، نفت، گاز و بنزین: انرژی شیمیایی به‌شکل گرما و نور آزاد می‌شود.
• کار کردن باتری شیمیایی: در اثر واکنش‌های شیمیایی داخل باتری، انرژی شیمیایی به‌شکل انرژی الکتریکی آزاد می‌شود.

چند نمونه از فرآیندهایی که در آنها انرژی شیمیایی جذب و ذخیره می‌شود:

• نورساخت (فتوسنتز): گیاهان انرژی نورانی خورشید را جذب و آن‌را به‌شکل انرژی شیمیایی ذخیره می‌کنند.
• شارژ شدن باتری: وقتی باتری را به برق می‌زنیم، انرژی الکتریکی در باتری جذب و به‌شکل انرژی شیمیایی ذخیره می‌شود.
• تولید عسل: زنبورهای عسل انرژی موجود در شهد گل‌ها را به‌شکل قند فشرده در عسل ذخیره می‌کنند که حامل انرژی شیمیایی است.
• تشکیل چربی در بدن انسان‌ها و جانوران: وقتی بیش از نیازمان غذا بخوریم، بدن ما از انرژی اضافی، مولکول‌های چربی می‌سازد و این مولکول‌ها در واقع حاوی انرژی شیمیایی هستند. 

جمع‌بندی

در مقاله حاضر توضیح دادیم که انرژی شیمیایی چیست. همچنین با چند مثال‌ به منابع انرژی شیمیایی و کاربردهایش اشاره کردیم. گفتیم که انرژی شیمیایی در خود پیوندهای شیمیایی ذخیره نمی‌شود بلکه از برهم‌کنش مجموعه نیروهای موثر بین هسته و الکترون‌های اتم ناشی می‌شود. وقتی در اثر واکنش شیمیایی، سطح پایداری آرایش هسته و الکترون‌های ماده نسبت به قبل از واکنش تغییر پیدا می‌کند، ممکن است انرژی شیمیایی به‌‌صورت گرما، نور، حرکت یا الکتریسیته آزاد شود یا در ساختار ماده جدید جذب شود.