Chemische Energie wird gespeichert und durch das Knüpfen und Aufbrechen von Bindungen zwischen Atomen freigesetzt. Es wird typischerweise freigesetzt, wenn Bindungen gebildet werden, und es ist erforderlich, sie zu brechen. Manchmal können jedoch Verbindungen gebildet werden, die Energie speichern und diese später durch chemische Reaktionen abgeben oder sich zu Molekülen umordnen, die zusammen weniger Energie haben. Diese Verbindungen können durch natürliche Prozesse und durch den Menschen hergestellt werden. Es ist auch möglich, Strom chemisch zu erzeugen. Es gibt viele Beispiele für chemische Energie in Aktion, sowohl natürlicher als auch von Menschenhand geschaffener, darunter Photosynthese, Atmung, Verbrennung, Sprengstoffe und Batterien.
Chemische Reaktionen
Eine chemische Reaktion findet statt, wenn die beteiligten Atome einen niedrigeren Energiezustand erreichen können, indem sie sich auf andere Weise neu anordnen. Zum Beispiel können sich zwei Wasserstoffmoleküle mit einem Sauerstoffmolekül verbinden, um zwei Wassermoleküle zu erzeugen. Etwas Energie – wie eine offene Flamme oder ein Funke – wird benötigt, um die Bindungen innerhalb der bestehenden Moleküle aufzubrechen, aber viel mehr wird durch die Bildung der neuen Bindungen freigesetzt. Die Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle können als Energiespeicher angesehen werden, die unter den richtigen Umständen freigesetzt werden können. Die gegenteilige Reaktion, die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, benötigt viel Energie, weshalb Wasser sehr stabil ist.
Photosynthese
Unter den richtigen Umständen ist es möglich, Moleküle zu erzeugen, die viel Energie speichern können, die aber erst von irgendwoher zugeführt werden muss. Eines der besten Beispiele für chemische Energiespeicherung ist die Photosynthese durch grüne Pflanzen. In diesem Fall liefert Sonnenlicht die Kraft, Kohlendioxid aus der Atmosphäre mit Wasser zu verbinden, um Zuckermoleküle zu produzieren, die die Pflanze als Nahrung verwendet. Da Zucker mehr Energie hat als Kohlendioxid und Wasser, können sie sich nicht direkt verbinden. Die Photosynthese ist jedoch ein komplexer Prozess, der den Zucker indirekt in einer Reihe von Schritten mit der Kraft der Sonne erzeugt.
Atmung
Die Zellatmung kann als das Gegenteil der Photosynthese angesehen werden. Wenn eine Person oder ein anderes Tier Pflanzenmaterial isst, werden die Zuckermoleküle abgebaut, wodurch Kohlendioxid und Wasser produziert werden. Da diese zusammen weniger Energie haben als der Zucker, wird etwas freigesetzt. Dieses wird in einem Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert, indem eine Phosphatgruppe zu einem anderen Molekül namens Adenosindiphosphat (ADP) hinzugefügt wird. Durch die Entfernung dieser Phosphatgruppe kann es bei Bedarf wieder freigesetzt werden; Obwohl hierfür etwas Energie benötigt wird, wird viel mehr durch die neuen Bindungen freigesetzt, die die freie Phosphatgruppe bildet.
Verbrennung und Brennstoffe
Eines der bekanntesten Beispiele für chemische Energie ist die Verbrennung. Dabei handelt es sich meist um eine Reaktion, bei der sich Kohlenstoff und Wasserstoff in organischen Stoffen wie Holz oder Öl mit dem Sauerstoff der Luft zu Kohlendioxid, Wasser, Licht und Wärme verbinden. Sie kann jedoch auch andere Elemente beinhalten. Die Verbrennung treibt das Auto an, treibt die meisten Stromerzeugungsanlagen an und versorgt viele Haushalte mit Wärme und Kochmöglichkeiten.
Die Brennstoffe für Verbrennungsprozesse können als chemische Energiespeicher betrachtet werden, die letztlich zu einem großen Teil von der Sonne stammen. Kohle, Öl und Erdgas stammen aus den Überresten uralter Pflanzen und Tiere, die ihre Energie aus der Photosynthese bezogen oder durch den Verzehr von Pflanzen, die dies taten. Diese organischen Materialien wurden in Schlamm und Schlick begraben und bildeten schließlich die Ablagerungen, die heute ausgebeutet werden.
Sprengstoffe
Diese Stoffe sind auch Energiespeicher. Ihre Moleküle bestehen aus Atomen, die sich in andere Moleküle umordnen können, die viel weniger Energie haben, und wenn dies geschieht, wird die Differenz als Licht und Wärme freigesetzt. Moderne Sprengstoffe sind typischerweise nitrierte organische Verbindungen, das heißt, sie sind Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen, denen Stickstoff-Sauerstoff-Gruppen hinzugefügt wurden. Dies ist normalerweise eine relativ instabile Formation: Mit einem ganz kleinen Stimulus brechen die bestehenden Bindungen und die Atome gruppieren sich zu Molekülen mit viel geringerer Energie wie Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff. Das freigesetzte Licht und die freigesetzte Wärme führen zusammen mit der extrem schnellen Umwandlung eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit in Gase zu einer heftigen Explosion.
Batterien: Strom aus Chemie
Chemische Reaktionen können auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Atome einiger Elemente können leicht Elektronen abgeben, während andere gerne Elektronen aufnehmen. Diese Tatsache nutzen Batterien aus, indem sie zwei verschiedene Elemente oder Verbindungen so anordnen, dass Elektronen von einem zum anderen fließen können, wenn sie in einem Stromkreis verbunden sind und einen elektrischen Strom bilden. Um chemische Energie auf diese Weise in Strom umzuwandeln, lassen sich verschiedenste Substanzen verwenden, und so gibt es viele verschiedene Arten von Batterien, die unter anderem für den Betrieb von Telefonen, kleinen Computern oder elektrischen Schaltungen in Autos verwendet werden können.