Más acerca de la energía química

La energía química es una manifestación más de la energía. En concreto, es uno de los aspectos de la energía interna de un cuerpo y, aunque se encuentra siempre en la materia, sólo se nos muestra cuando se produce una alteración íntima de ésta.

En la actualidad, la energía química es la que mueve los automóviles, los buques y los aviones y, en general, millones de máquinas. Tanto la combustión del carbón, de la leña o del petróleo en las máquinas de vapor como la de los derivados del petróleo en el estrecho y reducido espacio de los cilindros de un motor de explosión, constituyen reacciones químicas.

El carbón y la gasolina gasificada se combinan con el oxígeno del aire, reaccionan con él y se transforman suave y lentamente, en el caso del carbón, o instantánea y rápidamente, en el caso de la gasolina dentro de los cilindros de los motores. Las mezclas gaseosas inflamadas se dilatan considerable y rápidamente y en un instante comunican a los pistones del motor su energía, de traslación, su fuerza viva o de movimiento.

Si se rodeasen el carbón o la leña, la gasolina y el petróleo de una atmósfera de gas inerte, por ejemplo nitrógeno gaseoso, ni los primeros arderían ni los últimos explotarían en los cilindros. El nitrógeno no reacciona con aquellos cuerpos y las mezclas de gasolina y nitrógeno ni arden ni explotan.

Finalmente, hay que mencionar la más reciente y espectacular aplicación de la energía química para lograr lo que durante muchos siglos constituyó su sueño: el viaje de ida y vuelta al espacio exterior y a la Luna, así como la colocación de distintos tipos de satélites artificiales en determinadas órbitas.

Energía Química

Unidades de medida

Energía química en el organismo

Las células requieren energía para llevar a cabo la mayoría de los procesos biológicos. La energía proviene de los alimentos que ingerimos.
El oxígeno presente en el aire que respiramos se combina con los átomos de carbono e hidrógeno presentes en las moléculas de los alimentos liberando energía y formando después de numerosos pasos dióxido de carbono y agua.
La fuente original de alimentos son las plantas verdes. Estas son capaces de utilizar la energía solar, dióxido de carbono del aire y agua para crear moléculas orgánicas complejas formadas mayormente por carbono, hidrógeno y oxígeno y ricas en energía.
Estas moléculas son de tres tipos básicos: carbohidratos, lípidos y proteínas. Cualquiera de estos grupos puede combinarse con oxígeno y generar la energía necesaria para la vida.

Los animales no pueden generar carbohidratos, lípidos o proteínas a partir de las simples moléculas de dióxido de carbono, agua y usando la energía solar. En cambio, se alimentan de plantas que ya han hecho este trabajo o de otros animales que ya se han devorado plantas.

Bioquímica de la respiración celular

La conversión de los nutrientes en energía ocurre durante los llamados procesos de catabolismo. La moneda fundamental de energía dentro de las células es una molécula denominada ATP. La estructura de esta molécula es tal que contiene uniones químicas capaces de liberar mucha energía al partirse.

Dos ejemplos fundamentales de catabolismo son:

1. Fermentación.

2. Respiración.

La fermentación es un proceso de generación de energía que no depende de la presencia de oxígeno. Los productos finales del proceso son moléculas orgánicas pequeñas como el etanol. Este es el proceso mediante el cual se generan las bebidas alcohólicas.

La respiración es un proceso que sí requiere de oxígeno y que genera mayores cantidades de energía mediante una oxidación completa liberando dióxido de carbono y agua. La energía proviene en definitiva de los alimentos que comemos. Estos son sometidos a diversos procesos enzimáticos que los convierten en moléculas más pequeñas que forman la base de los mecanismos generadores de energía.

Materiales modernos: cerámicos.

Cuando escuchamos la palabra cerámico, se nos viene a la mente un jarrón o florero. Pero la palabra “cerámico” abarca muchos más objetos útiles en nuestra vida diaria. La palabra cerámico abarca, en realidad, a todo material inorgánico formado por la acción del calor.
Los materiales cerámicos son sólidos, formados principalmente por un metal y un no metal, y la unión entre los átomos se da mediante enlaces iónicos o covalentes. Se forman calentando el compuesto químico y luego dejándolo enfriar. Dependiendo del tipo de enfriamiento que sufra, se pueden tener materiales cristalinos (moléculas ordenadas) o amorfos (moléculas desordenadas).
Los materiales cerámicos amorfos suelen llamarse simplemente “vidrios”. El vidrio es un producto inorgánico fundido (a altas temperaturas, cercanas a 1500°C) que ha sido enfriado hasta un estado sólido, donde se le ha dado una determinada forma. El vidrio común se forma por el calentamiento de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y carbonato de calcio (CaCO3).

Eficiencia de un motor de combustión interna

Las reacciones químicas de combustión de compuestos de carbono con oxígeno para liberar energía son bien conocidas por todos. Ocurren, por ejemplo, al quemar madera o gas en el horno o bien cuando la bencina de un auto proporciona la energía necesaria para su funcionamiento. Estas reacciones son demasiado violentas y poco controladas para que los organismos vivientes las puedan usar dentro de una célula.
Para que un motor funcione, éste requiere de combustible que, al reaccionar, desprende energía. En el caso del motor de combustión interna, la energía del combustible se transforma en potencia y movimiento, de tal forma que la fuerza producida sirve para hacer funcionar un autobús, una hélice y un generador, entre otras cosas.
El motor de cuatro tiempos es el motor de combustión interna más conocido, y su funcionamiento se lleva a cabo en cuatro etapas, las cuales son:
Primer tiempo (admisión): tiene lugar la penetración de una mezcla de combustible y aire a la válvula de admisión, al bajar el pistón.
Segundo tiempo (compresión): el pistón sube y comprime la mezcla al reducir el volumen.
Tercer tiempo (explosión): al encender la bujía, ésta provoca la explosión de la mezcla; en este momento el pistón es empujado y baja.
Cuarto tiempo (expulsión): los gases producidos por la explosión son expulsados a través de la válvula de expulsión; en este momento el pistón baja.

La combustión

La combustión es una oxidación violenta, la cual, a su vez, desprende energía en forma de calor y luz. Los principales productos de ella son: el CO2, el vapor de agua y la energía.
Ejemplos de este proceso son la combustión del gas de la estufa, de la leña, y del carbón. En todos estos fenómenos se presenta una oxidación y, por lo tanto, también tiene lugar una reducción, ya que cuando se produce la combustión de una de estas sustancias, el oxígeno se reduce ganando electrones y el elemento que se oxida los pierde.
En el organismo de los seres vivos existen procesos de "combustión orgánica", los cuales se denominan así por la similitud que guardan con los productos obtenidos. Sin embargo, no son propiamente combustiones, pues no son, oxidaciones violentas.
Un ejemplo de éstas es la degradación de la glucosa que, durante la respiración celular, produce CO2, H2O y energía, de acuerdo con la siguiente reacción:

En esta ecuación se observa que cada átomo de oxígeno "gana" 2 electrones (se reduce) y el carbono "pierde" 4 electrones (se oxida):

 La oxidación del gas butano es una combustión inorgánica, ya que no se efectúa en los seres vivos. Su reacción es la siguiente:

Alimentos

Los alimentos también almacenan energía química y mediante éstos los organismos obtienen la energía necesaria para vivir, es decir, para formar y renovar tejidos, mantener su temperatura, realizar trabajo muscular, etcétera.
Los alimentos contienen nutrientes tales como los carbohidratos, los lípidos (grasas), las proteínas y las vitaminas, a los cuales se les denomina biogenéticos (por ser de origen orgánico); otros nutrimentos de origen inorgánico son el agua y los minerales como el sodio, el fósforo, el azufre, el cloro, el cobalto, el manganeso y el zinc.
Los organismos utilizan los alimentos para obtener de ellos energía y nutrimentos. Estos últimos son descompuestos para ser utilizados en el crecimiento y restauración celular. A este proceso de transformación se le denomina metabolismo.
La energía que se puede metabolizar a partir de los carbohidratos es de 4 kilocalorías por gramo; de los lípidos, de 9 kcal por gramo y, de las proteínas, de 4 kcal por gramo. Se recomienda que en una dieta adecuada se ingieran alimentos que proporcionen aproximadamente 3.000 kcal por día (según la actividad física que se desempeñe), que contengan, de manera balanceada, todos los nutrimentos. Por ejemplo: 75 g de proteínas, 80 g de lípidos y de 400 a 500 g de carbohidratos. Es necesario recordar que los organismos obtienen energía a través de un mecanismo autotrófico o heterotrófico.
El mecanismo autotrófico es propio de las plantas, algas y cianobacterias que, a partir de dióxido de carbono y energía luminosa del Sol, producen oxígeno y glucosa. De esta última se forman moléculas más complejas.
El mecanismo heterotrófico es propio de organismos como los de los animales; éstos ingieren el alimento previamente elaborado (carbohidratos, lípidos, etcétera), sus células lo oxidan mediante la respiración y con ello producen CO2, vapor de agua y otras sustancias de desecho.

Energía

La humanidad ha utilizado desde su existencia reacciones químicas para producir energía. Desde las más rudimentarias, de combustión de madera o carbón, hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de los modernos aviones o naves espaciales.

Las reacciones químicas, pues, van acompañadas de un desprendimiento, o en otros casos de una absorción, de energía.

Energía química almacenada

La energía es una propiedad inherente a la materia. La materia posee energía almacenada que se debe, por una parte, a la posición o a la altura de un cuerpo (energía cinética) y, por otra, a la naturaleza o las sustancias de que esté hecho el cuerpo al que se hace referencia, ya que a cada elemento o compuesto le corresponde cierta cantidad de energía química almacenada a la que se le denomina contenido energético.

Cuando se lleva a cabo un fenómeno químico, éste va acompañado por una manifestación de energía, ya sea que haya absorción o desprendimiento de ella, debido a la energía química que almacenan las sustancias.
Lo anterior significa que, cuando la energía química almacenada de los reactivos es mayor que la energía de los productos, hay un excedente de energía que se libera, pues la energía se mantiene constante, es decir, no se crea ni se destruye. Por ejemplo, al reaccionar metano (gas combustible) con el oxígeno (gas comburente), hay desprendimiento de energía como producto, porque el contenido energético del metano y del oxígeno es mayor al que posee el dióxido de carbono y el agua, que son las sustancias que se forman durante la reacción:

Por lo tanto, si al reaccionar, una o varias sustancias producen otras con mayor contenido energético, habrá absorción de energía por parte de los reactivos, como lo muestra la siguiente reacción de fotosíntesis:

Las sustancias de gran contenido energético se utilizan como combustible, ya que al reaccionar con el oxígeno se genera una gran cantidad de energía en forma de luz y calor.

Energía Química

Es una manifestación de la energía y específicamente se trata de la energía interna que posee un determinado cuerpo. Puede encontrarse en la materia aunque solo se nos mostrará cuando se produzca una alteración importante de ésta. Es la que produce las reacciones químicas que desprenden calor o desarrollan algún tipo de movimiento o de trabajo.

Un ejemplo es el de los combustibles, ya que una vez que son quemados producen reacciones químicas violentas que generan trabajo o movimiento. Los combustibles, como el carbón, el petróleo y el gas, desprenden su energía cuando se queman: la energía química se transforma principalmente en calor.
En la actualidad, la energía química es aquella que permite la movilización de los automóviles, los buques, los aviones y de cualquier otra máquina. Por ejemplo, la combustión del carbón, la del petróleo y la de la leña en las máquinas de vapor así como los derivados del petróleo en el cilindro de un motor de explosión, revisten reacciones químicas. Por otro lado, el carbón y la gasolina gasificada se combinan con el oxígeno del aire, reaccionan con él y logran transformarse.
Los alimentos también pueden tomarse como un claro ejemplo de energía química, ya que una vez que son procesados por el organismo nos ofrecerán calor (calorías) o se convertirán en fuentes de energía natural (proteínas y vitaminas).
Y una de las más recientes y espectaculares aplicaciones de la energía química ha sido sin dudas el viaje de ida y vuelta al espacio exterior y la luna y sobre todo la instalación de diversos tipos de satélites artificiales en órbitas, lo que demuestra su importancia en diversos ámbitos del accionar humano.
La energía es un recurso natural con distintos elementos asociados que permiten hacer una utilización industrial del mismo. El concepto refiere a la capacidad de poner en movimiento o transformar algo.
La química, por su parte, hace referencia la composición, la estructura y las propiedades de la materia. El término también permite nombrar a la ciencia que estudia estos aspectos junto a las modificaciones que experimenta la materia durante las denominadas reacciones químicas.

Es importante destacar que los alimentos también son fuente de energía química ya que, al ser procesados por el organismo, ofrecen calor (calorías), proteínas y vitaminas.

La energía química deriva directamente de la energía luminosa o solar, bajo la forma potencial de alimentos, vegetales, o combustibles. Esta energía permite por tanto almacenamientos importantes y concentrados de energía. Las formas de utilización más frecuentes son la combustión, que corresponde a una oxidación rápida y completa de materias combustibles con desprendimiento de calor, o la fermentación y la respiración que corresponden a unas oxidaciones más lentas y a veces limitadas. La combustión muy rápida (explosión) se aprovecha en las pólvoras y en los explosivos.

 Las reacciones químicas pueden clasificarse es:

• Reacciones endergónicas son aquellas que requieren un aporte neto de energía para tener lugar: los productos resultantes tienen más energíaque los reactivos de partida. Esto se manifiesta con un enfriamiento, ya que el sistema químico toma energía caloríca del medio que lo rodea para que ocurra la transformación (de ahí que se conozcan también como reaccionesendotérmicas).

• Reacciones exergónicas son, por el contrario, aquellas que tienen lugar con un desprendimiento neto de energía: los productos tienen menos energía que los reactivos de partida. Esa energía desprendida se manifiesta en este caso con un incremento de la tremperatura del medio (de ahí que se conozcan también como reacciones exotérmicas).