¿Qué es la Energía Química? – Definición, reacciones y ejemplos

Definición de energía química

La energía química se puede definir como la energía almacenada en los enlaces de compuestos químicos. Las pilas alcalinas, por supuesto, contienen energía química, pero también sustancias como la gasolina y el carbón. Incluso los alimentos que comemos contienen energía química.

Los científicos ven la energía como la capacidad de realizar un trabajo y, a menudo, clasifican las formas de energía en dos categorías amplias: energía cinética (energía debida al movimiento) y energía potencial (energía almacenada). La energía química cae en la última categoría de energía potencial. La energía de la gasolina, por ejemplo, se almacena hasta que se produce la combustión, con suerte dentro del motor de un automóvil, para liberarla.

Romper los enlaces entre átomos requiere energía. Al formar nuevos enlaces entre átomos se libera energía. Por lo tanto, utilizar energía química requiere comprender la química que tendrá lugar una vez que una sustancia se descomponga y se reforme.

Cómo funciona

Imagine una molécula de propano, como la que se usa en una parrilla común. La molécula contiene tres átomos de carbono centrales rodeados por ocho átomos de hidrógeno. El propano, por supuesto, contiene energía química. ¿Pero cómo se extrae?

Cuando se enciende la parrilla y el propano se expone al calor, los átomos comienzan a moverse y vibrar. A temperaturas suficientemente altas, cuando se mueven lo suficientemente rápido, la molécula de propano puede desmoronarse, pero sólo si los átomos tienen un lugar adonde ir. En presencia de oxígeno, los once átomos de la molécula de propano se reformarán en tres moléculas de dióxido de carbono y cuatro moléculas de agua.

Romper enlaces requiere energía y formar nuevos enlaces libera energía. Entonces, ¿por qué es útil la transformación? Resulta que la energía liberada durante la formación de las tres moléculas de dióxido de carbono y cuatro de agua es mucho mayor que la energía necesaria para romper la molécula de propano. Por tanto, el propano es una fuente útil de energía química, como podrá atestiguar cualquiera que haya cocinado hamburguesas. Aquí está la reacción química equilibrada para ese proceso:

C3H8 + 5O2 –> 3CO2 + 4H2O

La reacción anterior se llama exotérmica. El término proviene de la palabra griega exo, que significa “exterior”, y de la palabra griega therm que significa “calor”. Las reacciones exotérmicas, como la combustión del propano, liberan más energía de la que necesitan. Otros ejemplos de reacciones exotérmicas incluyen la quema de madera, la combustión de gasolina e incluso la descomposición de alimentos en una pila de abono.

Pero algunas reacciones, por otro lado, requieren más energía de la que liberan. Éstas se llaman reacciones endotérmicas. La palabra endotérmica proviene de la palabra griega endon que significa “dentro”. Si una reacción requiere más energía para romper sus enlaces de la que libera cuando los reforma, entonces el resultado neto es la resta de energía de un sistema en lugar de la adición de energía.

Las reacciones endotérmicas también pueden resultar útiles. Las bolsas de hielo desechables son un ejemplo. Las bolsas suelen contener agua y una pequeña bolsa de nitrato de amonio. Cuando se aprieta el paquete y se rompe la pequeña bolsa del interior, el nitrato de amonio se mezcla con el agua. Como esta reacción es endotérmica, utiliza más energía de la que produce. Así, la bolsa de hielo se enfría y absorbe energía de su entorno inmediato.

¿Qué es la energía química?

La energía es la capacidad de realizar trabajo, donde el trabajo es el movimiento de un objeto por alguna fuerza. Usamos energía todos los días y la energía se presenta en diferentes formas. La energía química es energía que se almacena en productos químicos, como el azúcar y la gasolina. Como la energía química es energía almacenada, es un tipo de energía potencial, que es energía almacenada en los objetos debido a su ubicación. Un ejemplo sencillo de energía potencial sería el de una bicicleta en la cima de una colina donde la posición de la bicicleta es elevada y tiene la capacidad de rodar colina abajo. En el caso de las sustancias químicas, la posición se refiere a los diversos átomos que existen juntos dentro de la sustancia química.

Ejemplos de energía química

Hay innumerables ejemplos de energía química en nuestro mundo. A continuación se muestra una lista de algunos ejemplos comunes de energía química, así como una breve discusión sobre cómo se almacena la energía dentro de los diversos compuestos involucrados.

• Fotosíntesis: las plantas almacenan grandes cantidades de energía química dentro de sus cuerpos. Cualquiera que alguna vez se haya sentado junto a una fogata llena de leña puede dar fe de este hecho. Pero, ¿de dónde obtienen la energía las plantas? Durante el proceso de fotosíntesis, se recolecta dióxido de carbono del aire y agua del suelo. Estas moléculas se descomponen y se reforman en una gran molécula de glucosa. Los átomos sobrantes (átomos de oxígeno) se liberan al aire como producto de desecho. La fotosíntesis es una reacción endotérmica, lo que significa que requiere más energía de la que libera. Normalmente, una sustancia química más grande que se forma a partir de bloques de construcción más pequeños implica una reacción endotérmica que requiere energía. Esa energía extra, por supuesto, proviene del Sol. Y el cuerpo de la planta almacena esa energía, convirtiéndose en una útil fuente de combustible.
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  Petróleo – El petróleo (petróleo) es un combustible fósil formado a partir de restos de antiguos organismos marinos como las algas. El petróleo es una fuente útil de energía química porque, en presencia de oxígeno, requiere menos energía para romper los enlaces del petróleo y libera el exceso de energía cuando se reforman nuevos enlaces. La quema (combustión) de combustibles fósiles se considera una reacción exotérmica. Los principales subproductos durante la combustión del petróleo incluyen dióxido de carbono y moléculas de agua.

• Alimentos: La energía química contenida en nuestros alimentos casi siempre se remonta al Sol. Por ejemplo, el atún obtiene su energía de peces más pequeños, los peces más pequeños comen fitoplancton y el fitoplancton obtiene su energía del sol. En este sentido, la energía alimentaria es en realidad una forma almacenada de energía solar. Durante la digestión, los enlaces de los alimentos se rompen y se forman nuevos enlaces. Esto da como resultado una reacción exotérmica, cuya energía se utiliza para alimentar nuestro cuerpo.
• Baterías: una batería es un dispositivo que almacena energía química y eventualmente la transforma en electricidad. Las baterías contienen electrolitos, sustancias químicas que permiten el flujo de carga eléctrica de un extremo al otro de la batería. Durante el uso, el electrolito libera electrones al terminal negativo de la batería, mientras que el terminal positivo acepta estos electrones adicionales. Este flujo de electrones es lo que llamamos “electricidad”. Pero en realidad, la batería está liberando energía química almacenada.

• Calentadores de manos: todos sabemos que los calentadores de manos producen una reacción exotérmica. ¿Pero cómo? Los calentadores de manos desechables en realidad contienen polvo de hierro, agua, sal, algún material absorbente y carbón. Cuando la bolsa se abre y se expone al oxígeno del aire, el oxígeno reacciona con el hierro de la bolsa y forma óxido. Debido a que los enlaces que se forman liberan más energía de la necesaria para romper los enlaces en las moléculas de oxígeno, la reacción produce un exceso de calor. Y los esquiadores de todo el mundo lo agradecen.

Resumen de la lección

La energía química es la energía almacenada en los enlaces de los compuestos químicos. Es una forma de energía potencial. Debido a que romper enlaces atómicos requiere energía y formar nuevos enlaces libera energía, la energía química solo es útil en ciertas sustancias:

• Las reacciones exotérmicas involucran sustancias que, cuando se transforman, liberan más energía de la que absorben.
• Las reacciones endotérmicas absorben más energía de la que liberan.

Exotérmico versus endotérmico explica la diferencia entre un calentador de manos desechable y una bolsa de hielo desechable. El calentador de manos libera energía química (exotérmica); la bolsa de hielo lo almacena (endotérmico).

Otros ejemplos de energía química incluyen la fotosíntesis, que produce biomasa; petróleo, que proviene de antiguos organismos marinos; y baterías, que almacenan energía dentro de un electrolito. En todos los casos, la energía química es un tipo específico de energía potencial que puede proporcionar energía útil en las condiciones adecuadas. Los científicos definen la energía como la capacidad de realizar un trabajo. Se puede considerar la energía química como una especie de combustible que simplemente almacena esta capacidad.

Aplicación de la energía química

Ahora que entendemos que las sustancias químicas contienen energía potencial, exploremos el significado de la energía química. En otras palabras, ¿qué aporta la energía química a la naturaleza?

Juguemos a un juego de asociación de palabras. ¿En qué piensas cuando digo ‘El círculo de la vida’? Si eres como yo, probablemente hayas pensado en la película de Disney ‘El Rey León’. ¡Hombre, esa fue una gran película! Otra forma de pensar sobre el círculo de la vida es en términos de utilización de energía dentro de la naturaleza. Dejame explicar. Las plantas utilizan la energía del sol para producir azúcar y oxígeno a partir de dióxido de carbono y agua. Nosotros, junto con otros animales, digerimos ese azúcar para liberar energía y poder trabajar. El azúcar se digiere; en otras palabras, se descompone en dióxido de carbono y agua, que, a su vez, las plantas utilizan para producir más azúcar.

¿Estás entendiendo el círculo de la vida?

La energía química en la vida cotidiana

Acabamos de hablar del hecho de que las plantas utilizan la energía solar para producir azúcar a partir de dióxido de carbono y agua. El azúcar, el dióxido de carbono y el agua son sustancias químicas que se mantienen unidas mediante lo que llamamos enlaces químicos o fuerzas que mantienen unidas las sustancias químicas. Por ejemplo, todos los azúcares están compuestos de átomos de carbono, oxígeno e hidrógeno que se mantienen unidos mediante enlaces químicos. Estos átomos no se unen automáticamente. Más bien, se necesita energía para mantenerlos unidos. Las plantas utilizan la energía solar para unir los átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno en forma de azúcar. Este es un muy buen ejemplo de transformación de energía donde la energía cambia de una forma a otra. En este caso, la energía solar se convierte en energía química que mantiene unido el azúcar y evita que se deshaga.

Anteriormente establecimos que la energía química es un tipo de energía potencial donde la energía se almacena en los enlaces químicos que mantienen unida la sustancia química. Asimismo, la energía potencial se puede liberar cuando se rompen los enlaces químicos. Esto es lo que sucede cuando digerimos el azúcar que comemos. Los enlaces químicos del azúcar se rompen a medida que el azúcar se digiere en dióxido de carbono y agua. Cuando los enlaces químicos se rompen, la energía potencial se libera en forma de energía cinética o energía de movimiento y calor o energía no utilizable. La energía cinética se utiliza para realizar trabajos, como contraer nuestros músculos y producir calor que ayuda a mantener nuestros cuerpos calientes.

¿Qué tan genial es eso? ¡Eso es bastante bueno!

Reacciones endotérmicas y exotérmicas

Acabamos de terminar de hablar del azúcar como ejemplo de energía química. Bueno, obviamente, el azúcar no es la única sustancia química que contiene energía química. De hecho, todas las sustancias químicas contienen energía. Cuando las sustancias químicas se descomponen, lo llamamos reacción exotérmica, ya que la reacción libera energía y puede usarse para realizar trabajo. Cuando una sustancia química más grande se fabrica a partir de componentes básicos más pequeños, lo llamamos reacción endotérmica, ya que se requiere energía para construir la molécula más grande a partir de los componentes más pequeños. La gasolina es una sustancia química de gran tamaño que utilizamos para hacer que nuestros automóviles se muevan. El motor descompone la gasolina. A medida que se rompen los enlaces químicos que mantienen unida la gasolina, la energía se libera y se utiliza para mover el automóvil y generar calor. Por eso a mis gatos les encanta meterse bajo el capó de mi coche en invierno. No son estúpidos. Saben de dónde viene el calor.

Resumen de la lección

En resumen, la energía química es energía almacenada en sustancias químicas. La energía es ‘la capacidad de realizar un trabajo’. La energía química es un tipo de energía potencial que es energía debida a la posición de un objeto u objetos. La energía potencial se encuentra en forma de enlaces químicos que son fuerzas que mantienen unidos a los átomos en una sustancia química. Toda la energía de la naturaleza proviene en última instancia del sol y la energía química no es una excepción. Las plantas tienen la capacidad de convertir la energía solar en energía química. Específicamente, las plantas juntan dióxido de carbono y agua para formar azúcar. La formación de azúcar a partir de dióxido de carbono y agua es un ejemplo de reacción endotérmica, ya que se necesita energía para producir la sustancia química. Nosotros, junto con otros animales, digerimos el azúcar que libera energía que puede usarse para realizar trabajo y generar calor. La digestión del azúcar es un ejemplo de reacción exotérmica ya que se libera energía. Todos los productos químicos contienen energía química y, por tanto, tienen la capacidad de realizar trabajo.