Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

7.1: Енергетичні та хімічні зв'язки

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    21624

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Визначте енергію та розрізняйте різні типи енергії, потенційну та кінетичну.

    Хімічні зміни і супутні їм зміни в енергії є важливими частинами нашого повсякденного світу (рис.\(\PageIndex{1}\)). Макроелементи в їжі (білки, жири та вуглеводи) проходять метаболічні реакції, які забезпечують енергію для підтримки функціонування нашого організму. Ми спалюємо різноманітне паливо (бензин, природний газ, вугілля) для виробництва енергії для транспортування, опалення та виробництва електроенергії. Промислові хімічні реакції використовують величезну кількість енергії для виробництва сировини (наприклад, заліза та алюмінію). Потім енергія використовується для виробництва цієї сировини в корисні продукти, такі як автомобілі, хмарочоси та мости.

    Три картинки показані і позначені a, b і c. малюнок a - чізбургер. На малюнку б зображено шосе, яке переповнене трафіком. Малюнок c - вид на промислову металеву піч. Вид в топку показує гарячий вогонь, що горить всередині.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Енергія, пов'язана з хімічними змінами, важлива для нашого повсякденного життя: (а) чізбургер на обід забезпечує енергію, необхідну для проходження решти дня; (б) згоряння бензину забезпечує енергію, яка рухає ваш автомобіль (і ви) між домом, роботою та школою; і (c) кокс, оброблена форма вугілля, забезпечує енергію, необхідну для перетворення залізної руди в залізо, що має важливе значення для виготовлення багатьох продуктів, які ми використовуємо щодня. (кредит а: модифікація роботи «Pink Sherbet Photography» /Flickr; кредит б: модифікація роботи Джеффрі Тернера).

    Понад 90% енергії, яку ми використовуємо, походить від сонця. Щодня Сонце забезпечує землю майже в 10 000 разів більшою кількістю енергії, необхідної для задоволення всіх світових енергетичних потреб на цей день. Наше завдання полягає в тому, щоб знайти способи перетворення та зберігання вхідної сонячної енергії, щоб її можна було використовувати в реакціях або хімічних процесах, які є зручними та екологічно чистими. Рослини та багато бактерій захоплюють сонячну енергію за допомогою фотосинтезу. Ми виділяємо енергію, що зберігається в рослині, коли спалюємо деревину або рослинні продукти, такі як етанол. Ми також використовуємо цю енергію для підживлення нашого організму, вживаючи їжу, яка надходить безпосередньо з рослин або від тварин, які отримували свою енергію, поїдаючи рослини. Спалювання вугілля та нафти також виділяє накопичену сонячну енергію: ці види палива є скам'янілими рослинними та тваринними речовинами.

    Енергія

    Енергію можна визначити як потужність для подачі тепла або виконання робіт. Одним з видів роботи (w) є процес змушення матерії рухатися проти протилежної сили. Наприклад, ми робимо роботу, коли ми надуваємо велосипедну шину - ми рухаємо матерію (повітря в насосі) проти протилежної сили повітря, що оточує шину.

    Як і матерія, енергія буває різних типів. Одна схема класифікує енергію на два типи: потенційна енергія, енергія, яку має об'єкт через його відносне положення, склад або стан, часто називають накопиченою енергією, і кінетична енергія, енергія, якою володіє об'єкт через його руху. Вода у верхній частині водоспаду або греблі має потенційну енергію через своє положення; коли вона тече вниз через генератори, вона має кінетичну енергію, яку можна використовувати для роботи та виробництва електроенергії на гідроелектростанції (рис.\(\PageIndex{2}\)). Акумулятор має потенційну енергію, оскільки хімічні речовини всередині нього можуть виробляти електроенергію, яка може працювати.

    На малюнку a зображений великий водоспад з водою, що падає з високою висотою у верхній частині водоспаду на нижню висоту. Друга картина - вид, що дивиться вниз на греблю Гувера. Вода показана за високою стіною греблі з одного боку і біля основи греблі з іншого.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) Вода, яка вище за висотою, наприклад, на вершині водоспаду Вікторія, має більш високу потенційну енергію, ніж вода на більш низькій висоті. Коли вода падає, частина її потенційної енергії перетворюється в кінетичну енергію. (b) Якщо вода протікає через генератори на дні греблі, наприклад, показану тут греблю Гувера, її кінетична енергія перетворюється в електричну енергію. (кредит a: модифікація роботи Стіва Юрветсона; кредит b: модифікація роботи «curimedia» /Wikimedia Commons).

    Енергія може бути перетворена з однієї форми в іншу, але вся енергія, присутня перед зміною, завжди існує в тій чи іншій формі після завершення зміни. Це спостереження виражається в законі збереження енергії: під час хімічної або фізичної зміни енергія не може бути ні створена, ні зруйнована, хоча її можна змінювати за формою. (Це також одна з версій першого закону термодинаміки, про що ви дізнаєтеся пізніше.)

    Коли одна речовина перетворюється в інше, завжди відбувається пов'язане перетворення однієї форми енергії в іншу. Тепло зазвичай виділяється або поглинається, але іноді перетворення включає світло, електричну енергію або якусь іншу форму енергії. Наприклад, хімічна енергія (тип потенційної енергії) зберігається в молекулах, що складають бензин. Коли бензин згоряє в циліндрах двигуна автомобіля, швидко розширюються газоподібні продукти цієї хімічної реакції генерують механічну енергію (тип кінетичної енергії), коли вони рухають поршні циліндрів.

    Відповідно до закону збереження речовини (розглянутого в попередньому розділі), не спостерігається виявлених змін загальної кількості речовини під час хімічної зміни. Коли відбуваються хімічні реакції, зміни енергії відносно скромні, а зміни маси занадто малі для вимірювання, тому закони збереження речовини та енергії тримаються добре. Однак в ядерних реакціях зміни енергії набагато більше (за факторами мільйона або близько того), зміни маси вимірювані, а матерія-енергетичні перетворення значні. Більш детально це буде розглянуто в наступному розділі, присвяченому ядерній хімії. Щоб охопити як хімічні, так і ядерні зміни, ми об'єднуємо ці закони в одне твердження: загальна кількість речовини і енергії у Всесвіті фіксована.