L’energia chimica viene immagazzinata e rilasciata dalla creazione e dalla rottura dei legami tra gli atomi. In genere viene rilasciato quando si formano i legami ed è necessario per romperli. A volte, però, si possono formare composti che immagazzinano energia e la rilasciano in seguito subendo reazioni chimiche, o riorganizzandosi in molecole che, insieme, hanno meno energia. Questi composti possono essere creati da processi naturali e dall’uomo. È anche possibile produrre elettricità chimicamente. Ci sono molti esempi di energia chimica in azione, sia naturale che artificiale, tra cui fotosintesi, respirazione, combustione, esplosivi e batterie.
Reazioni chimiche
Una reazione chimica avverrà quando gli atomi coinvolti potranno raggiungere uno stato energetico inferiore riordinandosi in modo diverso. Ad esempio, due molecole di idrogeno possono combinarsi con una di ossigeno per produrre due molecole d’acqua. È necessaria una certa energia, come una fiamma o una scintilla, per rompere i legami all’interno delle molecole esistenti, ma molto di più viene rilasciata dalla formazione di nuovi legami. Le molecole di idrogeno e ossigeno possono essere considerate come immagazzinatori di energia che può essere rilasciata nelle giuste circostanze. La reazione opposta, la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno, richiede una grande quantità di energia, motivo per cui l’acqua è molto stabile.
Fotosintesi
Nelle giuste circostanze, è possibile creare molecole in grado di immagazzinare molta energia, ma questa deve prima essere fornita da qualche parte. Uno dei migliori esempi di accumulo di energia chimica è la fotosintesi delle piante verdi. In questo caso, la luce solare fornisce il potere di combinare l’anidride carbonica dall’atmosfera con l’acqua per produrre molecole di zucchero, che la pianta utilizza come cibo. Poiché lo zucchero ha più energia dell’anidride carbonica e dell’acqua, non possono combinarsi direttamente. La fotosintesi, invece, è un processo complesso che crea lo zucchero indirettamente in una serie di passaggi, sfruttando il potere del Sole.
Respirazione
La respirazione cellulare può essere vista come l’opposto della fotosintesi. Quando una persona o un altro animale mangia materiale vegetale, le molecole di zucchero vengono scomposte, producendo anidride carbonica e acqua. Poiché questi, insieme, hanno meno energia dello zucchero, ne viene rilasciata una parte. Questo viene immagazzinato in una molecola chiamata adenosina trifosfato (ATP) aggiungendo un gruppo fosfato a un’altra molecola chiamata adenosina difosfato (ADP). Può essere nuovamente rilasciato, quando richiesto, dalla rimozione di questo gruppo fosfato; sebbene per fare ciò sia necessaria una certa quantità di energia, molto di più viene rilasciata dai nuovi legami che il gruppo fosfato non legato forma.
Combustione e combustibili
Uno degli esempi più familiari di energia chimica è la combustione. Questa è solitamente una reazione in cui il carbonio e l’idrogeno nelle sostanze organiche, come il legno o il petrolio, si combinano con l’ossigeno nell’aria per produrre anidride carbonica, acqua, luce e calore. Può però coinvolgere anche altri elementi. La combustione aziona l’automobile, alimenta la maggior parte delle centrali elettriche e fornisce calore e attrezzature per cucinare a molte case.
I combustibili utilizzati per i processi di combustione possono essere considerati come riserve chimiche di energia, gran parte della quale proviene in ultima analisi dal sole. Carbone, petrolio e gas naturale provengono dai resti di piante e animali antichi che ricevevano energia dalla fotosintesi o mangiando piante che lo facevano. Questi materiali organici sono stati sepolti nel fango e nel limo, formando infine i depositi che vengono sfruttati oggi.
Esplosivi
Queste sostanze sono anche riserve di energia. Le loro molecole sono costituite da atomi che possono riorganizzarsi in altre molecole che hanno molta meno energia e, quando ciò accade, la differenza viene rilasciata sotto forma di luce e calore. Gli esplosivi moderni sono tipicamente composti organici nitrati, il che significa che sono composti carbonio-idrogeno a cui sono stati aggiunti gruppi azoto-ossigeno. Questa è di solito una formazione relativamente instabile: con uno stimolo piuttosto piccolo, i legami esistenti si rompono e gli atomi si riuniranno in molecole con energia molto più bassa, come anidride carbonica, acqua e azoto. La luce e il calore liberati, uniti alla rapidissima trasformazione di un solido o di un liquido in gas, producono una violenta esplosione.
Batterie: elettricità da prodotti chimici
Le reazioni chimiche possono essere utilizzate anche per produrre elettricità. Gli atomi di alcuni elementi possono facilmente cedere elettroni, mentre ad altri piace acquisire elettroni. Le batterie sfruttano questo fatto disponendo due diversi elementi o composti in modo tale che gli elettroni possano fluire dall’uno all’altro quando sono collegati in un circuito, formando una corrente elettrica. Un’ampia varietà di sostanze diverse può essere utilizzata per convertire l’energia chimica in elettricità in questo modo, quindi ci sono molti diversi tipi di batterie che possono essere utilizzate per alimentare telefoni, piccoli computer e circuiti elettrici nelle auto, tra le altre cose.