Năng lượng hóa học là gì?

Năng lượng hóa học được tạo ra nhờ quá trình chuyển đổi vị trí của các electron trong việc hình thành và phá vỡ các liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong các chất phản ứng. Nguồn năng lượng này có thể được sản sinh thông qua 2 phản ứng sau đây:

Phản ứng hóa học: Một phản ứng hóa học thường trải qua 2 giai đoạn chính. Đầu tiên cần có một nguồn nguyên liệu đầu vào dùng để phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử cấu thành các hóa chất tham gia phản ứng. Tiếp theo là quá trình giải phóng năng lượng và tái hợp số nguyên tử này nhằm tạo ra những liên kết hóa học mới để tiếp tục tham gia vào quá trình phản ứng.

Theo nguyên tắc, nguồn năng lượng sinh ra trong giai đoạn 2 sẽ lớn hơn trong giai đoạn 1. Sự chênh lệch này (được đo bằng đơn vị Entanpy) phản ánh mức năng lượng hóa học tỏa ra môi trường bên ngoài. Nó không chỉ cho thấy số lượng nguyên tử trong phản ứng mà còn đo được sức mạnh giải phóng năng lượng của các nguyên tử này. Đối với một liên kết hóa học, nguồn lực này phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tử cấu thành nó và tốc độ bắt giữ electron của các hạt nhân.

Phản ứng oxy hóa khử: Trong phản ứng oxy hóa khử, một nguyên tố (chất khử) chuyển một hoặc nhiều electron sang nguyên tố khác (chất oxy hóa). Bản chất oxy hóa của một hợp chất được đo bằng thế oxy hóa khử (còn gọi là các cặp oxy hóa khử, kí hiệu: E, đơn vị: vôn). Giá trị này càng cao thì tính oxy hóa càng lớn.

Trong thực tế, đặc tính oxy hóa khử của một nguyên tố phụ thuộc vào E và chỉ được thể hiện thông qua một phản ứng hóa học nhất định. Sự khác biệt giữa các thế năng này tạo ra khả năng phản ứng khác nhau của những chất tham gia vào chuỗi phản ứng hóa học.

Lượng năng lượng hóa học được giải phóng được xác định theo nguyên tắc cân bằng phản ứng oxy hóa khử (số electron cho của chất khử bằng với số electron nhận của chất oxy hóa). Nguồn năng lượng này tỷ lệ thuận với số lượng electron và với sự khác biệt về thế oxy hóa khử của hai thành phần hóa học tham gia phản ứng.

Nguyên lý của quá trình cháy

Cháy là một phản ứng tỏa nhiệt giữa nhiên liệu đốt và chất oxy hóa. Chất oxy hóa chính là oxy của không khí cấp vào cho quá trình cháy. Phản ứng này giải phóng năng lượng dưới dạng quang năng, nhiệt năng hoặc động năng. Quá trình cháy có thể xảy ra hoàn toàn hoặc không hoàn toàn. Quá trình cháy hoàn toàn sẽ giải phóng tối đa năng lượng. Ngược lại, quá trình đốt cháy không hoàn toàn sinh ra những sản phẩm hóa học (CO, CH4) làm giảm mức năng lượng sinh ra trong phản ứng tỏa nhiệt.

Hầu hết các chất hữu cơ có nguồn gốc từ hóa thạch (than, khí tự nhiên, dầu) hoặc từ sinh khối (biomass) ở dạng khí, lỏng, rắn đều có thể làm nhiên liệu đốt. Do ít ảnh hưởng đến môi trường, nhu cầu sử dụng sinh khối làm nhiên liệu đang ngày càng tăng. Những nhiên liệu sinh học bao gồm sinh khối lignocellulose (gỗ), khí từ quá trình lên men của các vật liệu hữu cơ (khí sinh học), sinh khối carbohydrate (ngũ cốc, củ cải đường) và sinh khối hạt có dầu (hạt cải dầu).

Sự phát triển của ôtô điện phụ thuộc nhiều vào ngành năng lượng hóa học

Nhiên liệu và quá trình cháy

Lượng nhiệt năng sinh ra trong quá trình cháy phụ thuộc vào tính truyền nhiệt của nhiên liệu. Phản ứng tỏa nhiệt (thông qua bộ phận đánh lửa trong các động cơ) giải phóng một khối lượng lớn khí nhiệt độ cao trong tích tắc và sinh ra động năng có thể được sử dụng để tạo ra một chuyển động: chuyển động pít-tông của động cơ đốt trong xe, bộ đẩy của tên lửa… Nhiên liệu và chất oxy hóa sử dụng trong bộ đẩy tên lửa được gọi là “nhiên liệu đẩy”. Chúng có thể tồn tại ở dạng hai chất lỏng được lưu trữ riêng biệt hoặc ở dạng rắn. Những hỗn hợp nhiên liệu đẩy mạnh nhất được tạo thành bởi các phân tử chứa cả nhóm chất oxy hóa (NO2) và nhóm nhiên liệu nitroglycerin, TNT và pentrite.

Ngành điện hóa học

Một máy phát điện hóa học gồm hai điện cực được ngăn cách bởi một chất điện phân. Các điện cực phải là các vật liệu dẫn điện (thường là kim loại hoặc carbon). Chất điện phân là một chất chặn điện tử mà trong đó các ion của nó liên kết với các thành phần cấu thành các điện cực.

Tùy thuộc vào giá trị của thể oxy hóa khử của các nguyên tố này, một trong các điện cực (cực dương) sẽ xảy ra phản ứng oxy hóa và nhận electron từ phản ứng khử ở điện cực khác (cực âm). Do đó, cực dương dư electron và ngược lại. Bằng cách kết nối cực dương và cực âm, các electron ở cực dương sẽ di chuyển về phía cực âm và qua đó tạo ra một dòng điện theo hướng ngược lại.

Để được gọi là máy ắc quy (hệ thống pin có thể sạc lại), các phản ứng oxy hóa - khử giữa hai cực phải là thuận nghịch. Còn lại là các loại pin thường.

Giống như pin thường, pin nhiên liệu chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Sự khác nhau giữa 2 loại pin này là tính liên tục của quá trình chuyển đổi năng lượng trên. Điện năng sinh ra trong pin nhiên liệu là kết quả của quá trình oxy hóa liên tục một nhiên liệu trên một điện cực và giảm một chất oxy hóa trên điện cực kia.

Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro là sự đảo ngược của quá trình điện phân nước: ion hidro phân ly ở cực dương và tái hợp với oxy ở cực âm. Vì thế, quá trình đốt cháy nhiên liệu hydro chỉ cho ra một sản phẩm duy nhất là nước (H2O). Do đó, loại pin này được các chuyên gia đánh giá là “pin sạch” hơn các loại pin khác (chẳng hạn như các loại pin sử dụng nhiên liệu metanol sản sinh ra CO2 hay CO).

Một số lĩnh vực khác

Ngoài giúp thỏa mãn nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người, năng lượng hóa học còn đảm bảo cho sự tồn tại của hệ sinh thái và hoạt động của các sinh vật sống.

Sinh thái học: Sự tồn tại của hệ sinh thái được bảo đảm bằng các phản ứng quang hợp mà thực vật và vi khuẩn sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp các chất cần thiết cho sự sống (khí oxy, hợp chất carbon…).

Cơ chế của các phản ứng này gồm 2 giai đoạn. Đầu tiên là sự chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học: nước + ánh sáng → oxy + năng lượng hóa học (dưới dạng nguyên tử hydro). Tiếp theo là sự chuyển đổi năng lượng hóa học thành các sản phẩm carbonate: carbon dioxide + nguyên tử hydro → sản phẩm carbon + nước.

Trao đổi chất (metabolism): Sự trao đổi chất bao gồm tất cả các quá trình trao đổi năng lượng diễn ra liên tục trong cơ thể của một sinh vật. Đó là kết quả của một loạt các phản ứng hóa học. Trong đó, một số chất tỏa nhiệt cung cấp nguồn năng lượng cần thiết cho những chất thu nhiệt.

Phản ứng tỏa nhiệt trong hô hấp tế bào là phản ứng cháy chậm ở nhiệt độ thấp được thực hiện ở cấp độ tế bào. Trong đó, nhiên liệu đến từ sự thoái biến các phân tử hữu cơ được cơ thể hấp thụ (bao gồm đường và axit béo); chất oxy hóa là khí oxy trong phổi.

Như bất kỳ phản ứng tỏa nhiệt nào, những phản ứng trong hô hấp tế bào cũng tạo ra nước, carbon dioxide và năng lượng. Nguồn năng lượng này được cơ thể lưu trữ dưới dạng các phân tử chứa các liên kết nguyên tử quan trọng. Chúng được sử dụng để tổng hợp các phân tử khác có đặc tính chịu nhiệt cao (như hemoglobin).