Energía química

energía quimica

La energía química es la energía que se almacena en los enlaces de compuestos químicos, como átomos y moléculas. Esta energía se libera cuando tiene lugar una reacción química. Por lo tanto, es una medida de la capacidad de una sustancia para transformarse en otra sustancia mediante una reacción química. El proceso por el cual la energía química se libera o se convierte en forma de energía térmica se llama reacción exotérmica.

Éste es el tipo de energía más utilizado en el mundo, ya que es crucial para la existencia de los seres humanos y el mundo natural. Por ejemplo, todos los azúcares consisten en átomos de oxígeno, carbono e hidrógeno unidos por enlaces químicos. Estos átomos no se conectan entre sí automáticamente; más bien se requiere algo de energía para que permanezcan juntos.

Por ejemplo, una gran cantidad de energía química se almacena en carbón y combustibles fósiles. Usamos la combustión, una reacción química, para convertir esta energía química almacenada en energía térmica. Por lo tanto, la energía química almacenada en los recursos biológicos se puede convertir en servicios energéticos útiles como calor, energía y combustibles para el transporte.

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    Entonces... ¿Qué es la energía química y en que consiste?

    La energía química es un tipo de energía que se encuentra almacenada en los enlaces de los compuestos químicos (los enlaces químicos son los responsables de las interacciones entre los átomos y moléculas, confiriéndoles estabilidad) y es liberada cuando hay una reacción química, es decir, cuando hay un cambio a nivel molecular y en los enlaces de los compuestos  involucrados a través de un proceso termodinámico.

    Por lo general, cuando ocurren estos procesos y se libera la energía química de una sustancia, esa sustancia se transforma en una sustancia completamente nueva y estas sustancias finales suelen llamarse productos. Debido a que la energía química está almacenada, es una forma de energía potencial y a menudo se produce como un subproducto de una reacción química el calor, lo que se denomina como una reacción exotérmica.

    Los enlaces químicos pueden romperse y combinarse con enlaces de otros átomos para hacer nuevas sustancias. Este tipo energía es la más utilizada en el mundo, ya esta se puede convertir en energía eléctrica también, convirtiéndose en imprescindible para la existencia de los seres humanos y el mundo natural como lo conocemos hoy en día.

    Todas las reacciones químicas van acompañadas de una variación energética y como se mencionó existen reacciones exotérmicas (que liberan calor, como las reacciones de combustión, que su finalidad es la obtención de energía calórica) y otras reacciones llamadas endotérmicas (que necesitan calor para poder realizarse), y a diferencia de las mezclas, una sustancia pura obtenida de una reacción química siempre conlleva un intercambio y variación energética.

    ¿En que consiste?

    Es importante mencionar que la energía química  siempre transforma la materia donde se hallaba contenida. Las partículas de las sustancias tienen que chocar entre sí para reaccionar y para que ese choque sea eficaz, es decir, para que conduzca a una reacción, tienen que romperse enlaces y crearse nuevos, solo que esto no siempre es posible. Los choques eficaces son aquellos que se producen en la dirección del enlace y que tienen la energía de activación adecuada para romperlo.

    Y un incremento de temperatura permite superar la energía de activación ya que aumenta la energía cinética de las partículas, por ejemplo, las moléculas de un papel están en contacto con el aire y éste no se quema, pero si se acerca un extremo del papel al fuego éste activará la reacción y hará que continúe de forma espontánea e irreversible.

    Características de la energía química

    Cuando ocurre una reacción química, se produce también un cambio o transformación en el otro compuesto nuevo y si no existe reacción química, no se desprende ni libera energía de la materia. Como la mayoría de las fuentes de la energía química no son renovables a corto ni mediano plazo, no puede considerarse como renovable aunque si es un tipo de energía de mucho rendimiento ya que es capaz de liberar mucha energía.

    Se puede transformarse en otras energías y de garantizar muchos procesos que facilitan la vida diaria e impulsan el desarrollo sustentable de las naciones. Si bien la energía que interviene en una reacción química es variada, la más importante es la calórica. Asimismo, la energía eléctrica puede provocar reacciones como la electrolisis. Las reacciones químicas son importantes ya que son las que producen o liberan el tipo de energía del que estamos hablando, la energía química, energía que está almacenada en los recursos biológicos y que se puede convertir en servicios energéticos útiles como calor, energía y combustibles para el transporte.

    Cuanta más energía se libera cuando se forma un enlace, más estable es ese enlace. Estos enlaces son estables porque se debe poner la misma cantidad de energía en estos enlaces para romperlos nuevamente (este es un ejemplo de conservación de energía). La energía almacenada en los enlaces moleculares (energía química) es a su vez un tipo de energía potencial, y existe debido a la posición de las partículas de la molécula. 

    El oxígeno es la molécula rica en energía más prevalente que existe en la Tierra, solo dos átomos de oxígeno unidos y formando O 2. Estas moléculas se combinan con otras moléculas para emitir energía.

    Las reacciones químicas deben distinguirse de los cambios físicos. Los cambios físicos incluyen cambios de estado, como la fusión del hielo en agua y la evaporación del agua en vapor. Si ocurre un cambio físico, las propiedades físicas de una sustancia cambiarán, pero su identidad química seguirá siendo la misma. Una reacción química favorecerá la formación de productos si la suma de los cambios de entropía del sistema de reacción y su entorno es positiva.

    Ejemplos de energía química

    Cuando algo se enciende, como una vela, esta puede arder porque recibe oxigeno del aire y sin la presencia de este, se apaga, porque la oxidación se detiene si a un combustible se le da más aire y por tanto el oxígeno se consume o se quema más rápido. Esto se utiliza por ejemplo, en motores de aviones impulsados por la rápida oxidación del combustible. Así como la rápida oxidación del petróleo o el gas del carbón proporciona que funcionen centrales eléctricas.

    Cuando los átomos de oxigeno se juntan con otros átomos de otros compuestos, como el hierro, por ejemplo, se llama oxidación, y hay ciertos tipos de oxidación, otros en los que no involucra el oxígeno, como por ejemplo, la oxidación del mismo hierro cuando se combina con el cloro, en donde se dice que un elemento se oxida cuando pierde electrones de forma parcial (enlace covalente) o total (enlace iónico).

    Los motores de combustión son otra forma en la que se usa la energía química. En un motor de gasolina, el carburador mezcla combustible con aire para formar vapor de gasolina. Una planta también puede ser un ejemplo de energía química, ya que absorbe materiales de baja energía, minerales, agua y dióxido de carbono y lo combina con la energía que recibe del Sol para crear  nuevos alimentos químicos de alta energía a través de la fotosíntesis.

    Este es un ejemplo adecuado de transformación de energía donde la energía se transforma de una forma a otra. Aquí, la energía solar se transforma en energía química.

    Las personas también somos fábricas de reacciones químicas, por así decirlo, ya que al alimentarnos comienza un proceso de conversión de la energía que tomamos de los alimentos en combustible de alta energía, en calor y en energía mecánica y al mismo tiempo inhalamos oxigeno que se utiliza para que junto a las moléculas de los alimentos se combinen para producir nuevas moléculas que liberarán energía química en el cuerpo.

    Convirtiendo esto en energía térmica para mantenernos calientes y energía mecánica para poder movernos, jugar, caminar, etc. Y además de la oxidación hay innumerables tipos de cambios químicos y con cada cambio hay una trasferencia de energía, aunque la oxidación es una de las más importantes.

    Otro ejemplo es la madera seca que tiene almacenada energía química y cuando se quema, la energía química se libera y se convierte en energía luminosa y energía térmica, transformándose la madera a su vez en una nueva sustancia, las cenizas. Las pilas de combustible es otro ejemplo en donde convierten la energía química en electricidad de manera eficiente.

    Debido a las inevitables pérdidas, una parte de la energía se genera en forma de calor. La energía química de una batería también puede suministrar energía eléctrica mediante electrólisis. La energía liberada o absorbida en una reacción depende del estado físico de los reactivos, de sus concentraciones y de las condiciones en que se realiza, es decir, a presión o volumen constante.

    Aplicaciones de la energía química

    Las reacciones químicas se pueden aplicar de varias maneras dependiendo de su fin, un ejemplo de esto son las reacciones re-dox o de oxidación-reducción que se utilizan en las pilas. La transferencia de electrones desde el reductor al oxidante es la responsable de la corriente eléctrica en las pilas. Una pila es un dispositivo donde ocurre una reacción re-dox espontánea y los electrones obtenidos se distribuyen por un circuito eléctrico.

    Las pilas actuales derivan de la primera pila (la pila Daniell) que se constituyó a base de esta sencilla reacción en donde constaba de dos compartimientos separados en donde en uno había una lámina de cobre y una disolución de sulfato de cinc, en donde el catión cobre se reduce y se deposita cobre metálico en la lámina del primer compartimiento y el metal cinc se oxida y pasa a la disolución en el segundo compartimiento.

    Los sistemas de pilas de combustible se pueden utilizar para la generación combinada de calor y energía incluso a pequeña escala en edificios individuales.

    Y al conectarse a un circuito eléctrico se observa el paso de corriente. Hoy en día, los oxidantes de las pilas son generalmente el dióxido de manganeso o el óxido de mercurio. La energía química se puede usar también para aprovechar materiales de desecho como el bioetanol y otros biocombustibles que se forman a partir de materia orgánica que, en otros casos, se descompondría inútilmente.

    Muchos organismos también utilizan la energía química almacenada en sus cuerpos para producir luz (bioluminiscencia). Otra forma de uso de la energía química, es cuando en presencia hay una reacción de combustión la gasolina, combustibles derivados del petróleo y el diésel pueden liberar grandes cantidades de energía que se puede convertir en energía cinética, por ejemplo, cuando se usa para mover un carro o una moto.

    Es muy común usar la energía química en energía cinética para hacer mover objetos como carros, pero incluso mucho más grandes como cohetes espaciales que funcionan por las reacciones de diversas sustancias con alta energía química como el hidrógeno y oxígeno líquido, por lo general.

    Las reacciones re-dox hacen que funcionen también las baterías (desde nuestros teléfonos, a cualquier otro aparato electrónico en general) ya que se conectan a un circuito eléctrico y reaccionan los elementos químicos que se encuentran dentro de las baterías, produciendo así energía eléctrica. Las reacciones redox espontáneas se producen en las células galvánicas, mientras que  las reacciones químicas no espontáneas  tienen  lugar en las células electrolíticas

    Básicamente, cualquier compuesto contiene energía química que se puede liberar cuando se rompen sus enlaces químicos y los alimentos son un ejemplo de esto. Cualquier sustancia que se pueda utilizar como combustible contiene energía química, un uso en nuestro cuerpo sobre esto puede ser la respiración celular, en donde un conjunto de reacciones que transforma la energía química de la glucosa en energía química del ATP, una forma que nuestro cuerpo puede utilizar.

    La energía potencial almacenada dentro de los enlaces químicos se puede aprovechar para realizar trabajos en procesos biológicos ya que los diferentes procesos metabólicos descomponen las moléculas orgánicas para liberar la energía necesaria para que un organismo crezca y sobreviva.

    Otra aplicación de la energía química puede ser en las bolsas de aire que se activan mediante una reacción química dentro de la bolsa en donde un sensor enciende un circuito eléctrico y luego se enciende la azida de sodio. La reacción que se produce genera nitrógeno gaseoso, que llena la bolsa a una velocidad extremadamente rápida.

    La energía química almacenada en los explosivos es otra aplicación que se le da a este tipo de energía, se cambia y se transfiere a energía de sonido, energía cinética y energía térmica. El hecho de que se libere energía química no significa que se producirá una explosión necesariamente.

    Pero, cuando un material sólido se convierte rápidamente en un gas caliente en expansión, es posible que esté ante una explosión, por ejemplo, dos unidades de TNT sólido pueden transformarse instantáneamente en 15 unidades de gas caliente, creando una explosión oscura y llena de hollín.

    Las compresas calefactoras (que se utilizan para calentar las manos frías o aliviar los músculos doloridos) contienen sustancias químicas en su interior. Muchos de ellos funcionan "agrietándolos" (o doblándolos). Esto es porque están llenos de hierro. Una vez que rompes el paquete de calefacción, la plancha queda expuesta al aire. A medida que el hierro reacciona al oxígeno, se transforma en óxido de hierro, una sustancia química que puede producir calor.

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