Physik

Was ist chemische Energie?

Chemische Energie ist die potenzielle Energie, die in den Bindungen steckt, aus denen chemische Verbindungen bestehen. Diese Energie hängt von den Bindungen zwischen den Bestandteilen einer chemischen Verbindung ab, die bei ihrer Reaktion Energie in Form von Wärme freisetzen können.

Diese Art von Energie wird in der Wissenschaft als die Fähigkeit einer Verbindung definiert, Bindungen auf atomarer Ebene zu brechen oder zu knüpfen und dabei eine Wärmeänderung in der Umgebung durch einen exothermen oder endothermen Prozess zu verursachen. Chemische Energie ist definiert als jede Reaktion, die zur Umwandlung einer chemischen Substanz in eine andere führt. Die Zersetzung organischer Stoffe oder die Verbrennung fossiler Brennstoffe ist also ein einfaches Beispiel dafür, wie chemische Energie funktioniert.

Chemische Energie ist für das Funktionieren des Lebens auf zellulärer Ebene unerlässlich. Sie ermöglicht all diese Aktivitäten, von der Photosynthese in Pflanzen bis hin zu der Energie, die es Tieren ermöglicht, Muskelarbeit zu verrichten.

Beispiele für chemische Energie mit Bildern

Wie bereits erwähnt, gibt es weltweit mehrere Beispiele für chemische Energie in verschiedenen Größenordnungen.

Im Folgenden werden wir einige wesentliche davon vorstellen:

Photosynthese

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Die Photosynthese ist eine Methode, mit der Pflanzen chemische Energie zum Leben erzeugen.

Bei diesem Prozess wird Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt.

Die Energie wird in Kohlenstoffbindungen gespeichert, die die Pflanzenzellen anschließend für alle ihre kritischen Vorgänge nutzen können.

Atmen

Die Zellatmung ist der Mechanismus, durch den der Körper vieler lebender Organismen, einschließlich des Menschen, die Bindungen von Glukosemolekülen aufbricht.

Durch das Aufbrechen dieser Bindungen wird chemische Energie freigesetzt, die der Körper nutzt, um ATP-Moleküle und damit nutzbare Energie für die lebenswichtigen Prozesse des Körpers zu bilden.

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Aus Fossilien gewonnene Brennstoffe

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Aus Erdöl gewonnene fossile Brennstoffe können verbrannt werden, um Energie in Form von Wärme oder Licht zu erzeugen.

In Wirklichkeit nutzen Raffinerien diesen Prozess, um chemische Erdölverbindungen in andere aus Erdöl gewonnene Chemikalien umzuwandeln. Diesel, Benzin und andere Kraftstoffe sind Beispiele hierfür.

Batterien

Wenn eine Batterie an einen Stromkreis angeschlossen wird, kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen den in der Batterie enthaltenen Verbindungen.

Dadurch wird die in der Batterie enthaltene chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die für den Betrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann.

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Zersetzung organischer Stoffe

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Wenn ein lebender Organismus stirbt, beginnt sich die organische Substanz in seinem Körper zu zersetzen.

Während dieses Prozesses beginnen Bakterien und Kleinstlebewesen in der Umgebung, die in chemischen Bindungen gespeicherte Energie zu nutzen.

Lebensmittel

Die von Lebewesen verzehrte Nahrung wird zersetzt, wobei sie in kleinere Bestandteile zerlegt wird, die chemische Energie speichern.

Die Zellen nutzen diese Stoffe dann, um ihre chemische Energie zu absorbieren und sie für verschiedene Funktionen zu nutzen.

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Biolumineszenz

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Einige Pflanzen und Tiere, wie z. B. Glühwürmchen, können mit ihrem Körper Licht erzeugen.

Dies wird als Biolumineszenz bezeichnet und beruht auf der Umwandlung von gespeicherter chemischer Energie in Lichtenergie.

Wie wird chemische Energie erzeugt?

Wenn ein Molekül der Materie einen molekularen Übergang durchläuft, entsteht chemische Energie. In diesem Fall wird chemische Energie in Form von Wärme, Licht oder einer anderen Energieform freigesetzt.

Aufgrund des Energieerhaltungssatzes neigt ein Stoff, der seine chemische Energie freisetzt, dazu, durch die Reaktion eine andere Art von Stoff zu erzeugen. Dies ist der Fall bei der Zersetzung organischer Stoffe in Erdöl und den daraus entstehenden Kohlenwasserstoffen.

Wie funktioniert das?

Die chemische Energie ist eine Art potenzielle Energie. Dank der in den vergangenen zwei Jahrhunderten durchgeführten Studien wissen wir bereits, wie chemische Energie funktioniert und welche Eigenschaften sie hat. Obwohl die chemische Energie praktisch in allem steckt, hat die Wissenschaft erst vor kurzem damit begonnen, sie zu erfassen und zu nutzen.

Bevor sie in einer chemischen Reaktion freigesetzt wird, ist die chemische Energie in der Materie oder in den Molekülen als potenzielle Energie gespeichert.

  • Chemische Reaktionen: Chemische Reaktionen in der Materie führen zum Aufbrechen chemischer Bindungen in ihren Molekülen. Dabei nimmt die Materie auf atomarer Ebene Energie auf oder gibt sie ab, wodurch das chemische Gleichgewicht wiederhergestellt wird.
  • Freisetzung von Energie: Wenn chemische Energie aufgrund der Dissoziation chemischer Bindungen freigesetzt wird, manifestiert sie sich in Form verschiedener Energien wie elektrischer Energie, Lichtenergie, Wärmeenergie und anderen.
  • Exotherme Reaktionen: Wenn bei einem chemischen Prozess Wärme entsteht, wird die erzeugte chemische Energie als Ergebnis einer exothermen Reaktion betrachtet.
  • Endotherme Reaktionen: Im Gegensatz zum vorangegangenen Szenario findet eine endotherme Reaktion statt, wenn eine chemische Aktivität dazu führt, dass Materie Wärme von außen aufnimmt.

Verwendung von chemischer Energie

Chemische Energie hat mehrere Anwendungen, da sowohl der Mensch als auch die Natur die der Materie innewohnende Energie aus verschiedenen Gründen nutzen.

Einige der wichtigsten sind im Folgenden aufgeführt:

  • Raffinerie von Erdöl. Bei der herkömmlichen Stromerzeugung wird die Wärme aus der chemischen Energie fossiler Brennstoffe für den Betrieb des Kraftwerks genutzt.
  • Chemische Energie wird in Autos, Booten, Flugzeugen und vielen anderen Verkehrsmitteln mit Verbrennungsmotoren genutzt.
  • Der menschliche Körper benötigt chemische Energie aus der Nahrung, um seine lebenswichtigen Vorgänge auf molekularer Ebene ausführen zu können.
  • Kernkraftwerke erzeugen Strom durch die Nutzung der chemischen Energie, die bei der Kernspaltung entsteht.
  • Die im Erdöl enthaltene chemische Energie wird bei der Herstellung von Erdölderivaten freigesetzt, um weitere Derivate für den industriellen und alltäglichen Gebrauch wie Benzin, Diesel, einige Arten von Polymeren und andere herzustellen.
  • Einige Unternehmen stellen Fast Food in speziellen Verpackungen her, die durch Schütteln oder Verformen des Behälters erhitzt werden können. Dies ist auf die besonderen Eigenschaften der Behälter zurückzuführen, die exotherme Reaktionen hervorrufen, die das Essen erhitzen.

Vorteile und Nachteile

Die chemische Energie hat mehrere Vor- und Nachteile, die im Folgenden aufgeführt sind:

Vorteile

  • Es handelt sich um eine reichlich vorhandene Energieart, da Erdöl und organische Stoffe, die in der Natur vorkommen, eine Quelle chemischer Energie sind, die der Mensch nutzen kann.
  • Sie ermöglicht die Gewinnung verschiedener Energiearten wie Licht, Wärme, mechanische und elektrische Energie, was sie anpassungsfähig und nützlich für die Gesellschaft macht.
  • Chemische Energie hat eine hohe Ausbeute, da nur eine winzige Menge an Materie erforderlich ist, um die in den Molekülen enthaltene Energie zu nutzen.
  • Da chemische Reaktionen die Materie verändern, können neue Chemikalien und wertvolle Materialien hergestellt werden.
  • Da sie weltweit im Überfluss vorhanden ist, ist sie eine kostengünstige und einfach zu nutzende Energieform.
  • Sie ermöglicht die Herstellung von ökologisch vorteilhaften Biokraftstoffen aus Abfallstoffen.
  • Sie ermöglicht den Einsatz von Verkehrsmitteln mit Verbrennungsmotoren, eine der bedeutendsten Innovationen der Menschheit.
  • Chemische Energie lässt sich leicht speichern, da potenzielle Energie auf molekularer Ebene in praktisch jedem Molekül oder Objekt vorhanden ist.

Nachteile

  • Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung fossiler Brennstoffe zur Erzeugung chemischer Energie sind die nachteiligen Auswirkungen auf die Umwelt.
  • Bei dieser chemischen Reaktion werden giftige Verbindungen in die Umwelt freigesetzt, die für die Natur und das Leben im Allgemeinen gefährlich sind.
  • In vielen Ländern sind die Methoden zur Herstellung ökologisch akzeptabler Biokraftstoffe zu teuer. Das liegt daran, dass sie mit einer sehr jungen Technologie hergestellt werden.
  • Die Erzeugung von Elektrizität in herkömmlichen Kraftwerken erfordert ständige wirtschaftliche Investitionen, da ihr Betrieb von der Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe und der Instandhaltung von Infrastruktur und Ausrüstung abhängt.
  • Da chemische Energie nicht erneuerbar ist, erfordert ihre Nutzung den Verbrauch von Stoffen, die nicht wiederhergestellt werden können.
  • Kernkraftwerke erzeugen radioaktive Abfälle, die bei unsachgemäßer Behandlung die Umwelt erheblich beeinträchtigen können.

Mathematische Formel der chemischen Energie

Es gibt keine einheitliche mathematische Formel für die chemische Energie.

Für diese Art von Energie gibt es mehrere Gleichungen:

https://www.sctcc.edu/sites/default/files/users/cas/Common%20Chemistry%20Equations.pdf

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