انرژی آزاد شده: گرمای پنهان در تغییرات شیمیایی
انرژی مواد شیمیایی: یک مخزن پنهان
همه مواد اطراف ما، در پیوندهای بین اتمهایشان، انرژی ذخیره کردهاند. به این انرژی، انرژی شیمیایی4 میگویند. وقتی یک واکنش شیمیایی رخ میدهد، این پیوندها شکسته شده و پیوندهای جدیدی تشکیل میشوند. اگر انرژی پیوندهای محصولات جدید، کمتر از انرژی پیوندهای مواد اولیه باشد، انرژی اضافی آزاد میشود. این همان انرژی آزاد شده است.
تصور کن یک قلعه شنی محکم ساختهای. برای خراب کردن آن نیاز به صرف انرژی داری (مثل هل دادن). اما وقتی آن را هل میدهی، قلعه میریزد و انرژی که برای ساختنش ذخیره کرده بودی، به صورت حرکت و صدا آزاد میشود. در واکنشهای شیمیایی نیز مشابه همین اتفاق میافتد.
واکنش گرماده در مقابل واکنش گرماگیر
واکنشهای شیمیایی از نظر مبادله انرژی با محیط، به دو دستهٔ اصلی تقسیم میشوند:
| ویژگی | واکنش گرماده | واکنش گرماگیر |
|---|---|---|
| تعریف | واکنشی که انرژی آزاد میکند. | واکنشی که انرژی از محیط جذب میکند. |
| حس ما از محیط | محیط گرمتر میشود. | محیط سردتر میشود. |
| نمونههای آشنا | سوختن چوب، روشنایی شمع، گرماسا، هضم غذا. | تبخیر آب، حل شدن نیترات آمونیوم در آب، پختن کیک (بخشی از مراحل). |
| نمودار انرژی | انرژی محصولات کمتر از واکنشدهندههاست. $\Delta H | انرژی محصولات بیشتر از واکنشدهندههاست. $\Delta H > 0$ |
در جدول بالا، $\Delta H$ نشاندهنده تغییر آنتالپی یا همان تغییر انرژی گرمایی است. علامت منفی به معنای خروج انرژی (گرماده) و علامت مثبت به معنای جذب انرژی (گرماگیر) است.
کجاها با انرژی آزاد شده روبهرو میشویم؟ از آشپزخانه تا بدن خودمان!
انرژی آزاد شده فقط در آزمایشگاه شیمی نیست، بلکه بخشی از زندگی روزمره ما را تشکیل میدهد:
۱. تأمین گرما: سوختن گاز در بخاری یا اجاق گاز یک واکنش گرماده است. مولکولهای گاز با اکسیژن هوا ترکیب شده و انرژی زیادی به صورت گرما و نور آزاد میکنند. معادله سادهشده آن به این شکل است:
$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + Energy$
این انرژی آزاد شده، خانه ما را گرم میکند یا غذا را میپزد.
۲. تأمین انرژی برای حرکت: در بدن ما، غذا (مثل گلوکز) با اکسیژن در سلولها میسوزد (تنفس سلولی). این یک واکنش گرماده پیچیده است که انرژی آزاد میکند. بدن از این انرژی برای حرکت ماهیچهها، فکر کردن و تمام فعالیتهای حیاتی استفاده میکند.
۳. تولید نور: در شمع، سوختن پارافین گرما و نور تولید میکند. در کرمهای شبتاب، یک واکنش شیمیایی خاص در بدن حشره (بدون تولید گرمای زیاد) نور آزاد میکند که به آن بیولومینسانس5 میگویند.
۴. باتریها: باتری یک منبع انرژی قابل حمل است. در داخل باتری، واکنشهای شیمیایی گرماده رخ میدهند و انرژی الکتریکی آزاد میکنند که باعث روشن شدن چراغ قوه یا حرکت دادن اسباببازی میشود.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. فقط واکنشهای گرماده انرژی آزاد میکنند. در واکنشهای گرماگیر، انرژی از محیط جذب میشود و ممکن است محیط سردتر شود.
پاسخ: نه تنها گرما. سوختن یک واکنش اکسایش سریع است که علاوه بر گرما، اغلب نور و گاهی صدا (مثل ترکیدن ذرات) نیز آزاد میکند. محصولات جدیدی مثل خاکستر و گازها نیز تولید میشوند.
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. در شیمی، قانون پایستگی انرژی حاکم است: انرژی نه به وجود میآید و نه از بین میرود، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود. در واکنش گرماده، انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد، به شکلهای دیگری مثل انرژی گرمایی و نورانی تبدیل و آزاد میشود، نه اینکه «تولید» شود.
پاورقی
1انرژی آزاد شده (Released Energy): انرژیای که در نتیجه یک واکنش شیمیایی گرماده، از سامانه به محیط اطراف منتقل میشود.
2گرماسا (Hand Warmer): وسیلهای حاوی مواد شیمیایی که با آغاز یک واکنش گرماده، برای مدت معینی گرما تولید میکند.
3واکنش گرماگیر (Endothermic Reaction): واکنشی که برای پیشرفت، نیاز به جذب انرژی گرمایی از محیط اطراف دارد.
4انرژی شیمیایی (Chemical Energy): انرژی بالقوه ذخیره شده در پیوندهای بین اتمهای یک ماده.
5بیولومینسانس (Bioluminescence): تولید و انتشار نور توسط موجودات زنده در نتیجه یک واکنش شیمیایی در بدن آنها.
