الطاقة الكيميائية

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

الطاقة الكيميائية هي طاقة المواد الكيميائية التي تنطلق عند تفاعلها الكيميائي وتحولها إلى مواد أخرى. من أمثلة وسائط تخزين الطاقة الكيميائية: البطاريات، [ 1 ] والغذاء، والبنزين (بالإضافة إلى غاز الأكسجين، الذي يتميز بطاقة كيميائية عالية نظرًا لضعف رابطته الثنائية نسبيًا [ 2 ] ، وهو ضروري لإطلاق الطاقة الكيميائية في احتراق البنزين). [ 3 ] [ 4 ] يتضمن كسر الروابط الكيميائية وإعادة تكوينها طاقة ، قد يمتصها النظام الكيميائي أو ينطلق منها. عند تحول المواد المتفاعلة ذات الروابط الإلكترونية الضعيفة نسبيًا إلى نواتج ذات روابط أقوى، تنطلق الطاقة. [ 5 ] لذلك، تخزن الجزيئات غير المستقرة ذات الروابط الضعيفة نسبيًا الطاقة الكيميائية. [ 2 ]

الطاقة التي يمكن إطلاقها أو امتصاصها نتيجة تفاعل بين مواد كيميائية تساوي الفرق بين محتوى الطاقة في النواتج والمتفاعلات، بافتراض تساوي درجة الحرارة الابتدائية والنهائية. ويمكن تقدير هذا التغير في الطاقة من طاقات الروابط في المتفاعلات والنواتج. كما يمكن حسابه منΔيوو∘رهـأجتأنتs{\displaystyle \Delta {U_{f}^{\circ }}_{\mathrm {المتفاعلات} }}، والطاقة الداخلية لتكوين جزيئات المواد المتفاعلة ، وΔيوو∘صرoدuجتs{\displaystyle \Delta {U_{f}^{\circ }}_{\mathrm {products} }}الطاقة الداخلية لتكوين جزيئات الناتج. يساوي التغير في الطاقة الداخلية لعملية كيميائية كمية الحرارة المتبادلة إذا تم قياسها في ظروف حجم ثابت ودرجة حرارة ابتدائية ونهائية متساوية، كما هو الحال في وعاء مغلق مثل مسعر القنبلة . مع ذلك، في ظروف ضغط ثابت، كما هو الحال في التفاعلات في أوعية مفتوحة للهواء الجوي، لا يساوي التغير الحراري المقاس دائمًا التغير في الطاقة الداخلية، لأن شغل الضغط والحجم يُطلق أو يمتص طاقة أيضًا. (يساوي التغير الحراري عند ضغط ثابت التغير في المحتوى الحراري ، وهو في هذه الحالة المحتوى الحراري للتفاعل ، إذا كانت درجة الحرارة الابتدائية والنهائية متساوية).

مصطلح ذو صلة هو حرارة الاحتراق ، وهي الطاقة المنبعثة في الغالب من الروابط المزدوجة الضعيفة للأكسجين الجزيئي [ 4 ] [ 6 ] نتيجةً لتفاعل الاحتراق ، وتُستخدم غالبًا في دراسة أنواع الوقود . يُشبه الغذاء أنواع الوقود الهيدروكربوني والكربوهيدراتي، فعند أكسدته إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، تكون الطاقة المنبعثة مماثلة لحرارة الاحتراق (مع أنها تُقاس بطريقة مختلفة عن الوقود الهيدروكربوني - انظر طاقة الغذاء ).

الطاقة الكيميائية الكامنة هي شكل من أشكال الطاقة الكامنة المرتبطة بالترتيب البنيوي للذرات أو الجزيئات. قد يكون هذا الترتيب ناتجًا عن الروابط الكيميائية داخل الجزيء أو التفاعلات بينها. يمكن تحويل الطاقة الكيميائية لمادة كيميائية إلى أشكال أخرى من الطاقة عن طريق التفاعل الكيميائي . على سبيل المثال، عند احتراق الوقود، تتحول الطاقة الكيميائية للأكسجين الجزيئي والوقود إلى حرارة. [ 4 ] تحوّل النباتات الخضراء الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية (معظمها من الأكسجين) من خلال عملية التمثيل الضوئي ، ويمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية والعكس صحيح من خلال التفاعلات الكهروكيميائية .

يُستخدم مصطلح "الجهد الكيميائي" للإشارة إلى قدرة المادة على تغيير بنيتها، سواءً كان ذلك على شكل تفاعل كيميائي، أو نقل مكاني، أو تبادل جسيمات مع خزان، وما إلى ذلك. وهو ليس شكلاً من أشكال الطاقة الكامنة بحد ذاته، بل يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالطاقة الحرة . وينشأ الالتباس في المصطلحات من حقيقة أنه في مجالات أخرى من الفيزياء لا يهيمن عليها الانتروبيا، تكون كل الطاقة الكامنة متاحة لأداء شغل مفيد، وتدفع النظام إلى تغيير بنيته تلقائيًا، وبالتالي لا يوجد تمييز بين الطاقة الكامنة "الحرة" و"غير الحرة" (ومن هنا جاءت كلمة "الجهد"). مع ذلك، في الأنظمة ذات الانتروبيا العالية، كالأنظمة الكيميائية ، فإن إجمالي الطاقة الموجودة (والمحفوظة وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية )، والتي تُعدّ الطاقة الكامنة الكيميائية جزءًا منها، منفصلة عن مقدار تلك الطاقة - الطاقة الحرة الديناميكية الحرارية (التي يُشتق منها الجهد الكيميائي ) - والتي (يبدو أنها) تدفع النظام للأمام تلقائيًا مع ازدياد الانتروبيا الكلية (وفقًا للقانون الثاني ) .

مراجع

  1. ↑ شميدت-روهر، كلاوس (9 أكتوبر 2018). "كيف تخزن البطاريات الطاقة وتطلقها: شرح أساسيات الكيمياء الكهربائية" . مجلة التعليم الكيميائي . 95 (10): 1801-1810 . Bibcode : 2018JChEd..95.1801S . doi : 10.1021/acs.jchemed.8b00479 . ISSN 0021-9584 . 
  2. 1 2 ماكموري، جون؛ فاي، روبرت سي. (2001). الكيمياء ( الطبعة الثالثة). أبر سادل ريفر، نيوجيرسي: برنتيس هول. ص 302. ISBN   978-0-13-087205-0.
  3. ↑ فايس، إتش إم (2008). "تقدير الأكسجين" . مجلة التعليم الكيميائي . 85 (9): 1218-1219 . رمز Bibcode : 2008JChEd..85.1218W . doi : 10.1021/ed085p1218 . مؤرشف من الأصل في 18 أكتوبر 2020. تم الاطلاع عليه في 13 مارس 2017 .
  4. 1 2 3 شميدت-روهر، ك. (2015). "لماذا تكون عمليات الاحتراق طاردة للحرارة دائمًا، وتنتج حوالي 418 كيلوجول لكل مول من الأكسجين ؟ "، مجلة التعليم الكيميائي 92 : 2094-2099. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b00333
  5. ↑ مور، جون دبليو؛ ستانيتسكي، كونراد إل؛ جورس، بيتر سي. (2005). الكيمياء: العلم الجزيئي ( الطبعة الثانية). بلمونت، كاليفورنيا: تومسون بروكس/كول. ص 242. ISBN   978-0-534-42201-1.
  6. ↑ ميركل، آر دي؛ لابوشان، إف جيه دبليو جيه؛ هايدنريش، إم دي (فبراير 2019). "استهلاك الأكسجين كعامل حاسم في التنبؤ بحرارة الاحتراق" . الطاقة التطبيقية . 235 : 1041-1047 . doi : 10.1016/j.apenergy.2018.10.111 .