الطاقة الكيميائية هي نوع الطاقة الموجودة في روابط المركبات الكيميائية. يمكننا أن نجد هذه الطاقة في الذرات أو الجزيئات عندما يتم إطلاقها أثناء تفاعل كيميائي ، محتفظ بها داخل روابطها التساهمية. يتم إطلاق الحرارة عند الوصول إلى الطاقة ، مما يؤدي إلى تفاعل طارد للحرارة.
لكسر الروابط ، وإطلاق الطاقة أولاً ، تسمى الطاقة المطلوبة ماص للحرارة.
تم اقتراح الطاقة الكيميائية لأول مرة من قبل يوشيا جيبس خلال فترة في الولايات المتحدة لم يكن فيها العلم النظري يمارس بشكل صارم. كان من الصعب فهم أفكاره في ذلك الوقت ، وكان صهره ينشر مقالاته. لم يؤثر ذلك كثيرًا على مصداقيته في ذلك الوقت.
على الرغم من أن جيبس ربما لم يكن معروفًا جيدًا من وجهة نظر التحرير ، إلا أنه تواصل بانتظام مع أكثر من 200 عالم بارز. بمرور الوقت ، ساعد تأثير جيبس على الكيمياء الفيزيائية والرياضيات الإحصائية في تقريب مجتمعنا العالمي من كيفية فهمنا للعلوم الحديثة.
تعتمد معظم أنواع الطاقة التي نستخدمها اليوم على الطاقة الكيميائية لتزويدنا بالطاقة القابلة للاستخدام. في كل مرة يتم حرق منتج ما ، فإنه يطلق طاقة كيميائية سنستهلكها لاحقًا. يتيح لنا الوقود الأحفوري والمواد التي من صنع الإنسان وحتى التفاعلات النووية الوصول إلى الطاقة الكيميائية.
هناك العديد من مزايا وعيوب الطاقة الكيميائية التي يجب مراعاتها عند فحص هذا المورد. هذه بعض النقاط الرئيسية التي يجب مراعاتها.
قائمة المزايا الرئيسية للطاقة الكيميائية
1. الطاقة الكيميائية وفيرة بشكل لا يصدق.
مصدر الطاقة هذا هو أحد خيارات الطاقة الأكثر وفرة التي يمكننا الوصول إليها اليوم. يوفر أي نوع من المواد العضوية تقريبًا إمكانية توفير الطاقة الكيميائية التي يمكننا استخدامها. يستخدم الكثير منا هذا النوع من الطاقة كل يوم دون أن يدركوا ذلك. إذا أشعلت موقد الغاز الخاص بك أو أشعلت نار المخيم ، فأنت تسخر العمليات التي تنتج الطاقة الكيميائية.
2. يمكننا الوصول إلى الطاقة بسهولة تامة.
هناك عدد قليل من العمليات الخاصة المطلوبة للوصول إلى الإمكانات الكاملة للطاقة الكيميائية. في كثير من الحالات ، يمكننا الوصول إلى الطاقة على الفور. إذا قمت بتشغيل فرن غاز ، على سبيل المثال ، فأنت تستخدم عملية الطاقة الكيميائية لتوليد الحرارة التي ستطهو طعامك. يمكن التحكم في الاحتراق بسهولة. يمكن صيانته مباشرة. هذا هو السبب في أنها واحدة من أرخص أشكال الطاقة التي يمكننا استخدامها اليوم.
3. يمكن تخزين الطاقة الكيميائية فيزيائيا لاستخدامها في المستقبل.
على الرغم من أننا جميعًا نستخدم الطاقة على مدار اليوم ، إلا أننا نستخدمها على مستويات مختلفة. يمكن تخزين أو تخزين مواردنا التي توفر الطاقة الكيميائية بسهولة لاستخدامها في المستقبل ، مما يسمح لنا بالحفاظ على الطاقة عندما لا نحتاج إليها. في الولايات المتحدة ، يوجد ما يكفي من الفحم المخزن لتلبية احتياجاتنا الحالية من الطاقة لأكثر من جيل واحد. في الفناء الخلفي ، قد يكون هناك ما يكفي من الخشب المخزن للموقد لتوفير الحرارة طوال فصل الشتاء.
4. يزود المستهلكين بشحنة عالية الكثافة عند استهلاكها.
تطلق عمليات الطاقة الكيميائية كمية كبيرة بشكل مدهش من الطاقة التي يمكننا استهلاكها لمجموعة متنوعة من الأغراض. تسمح لنا الطبيعة عالية الكثافة لهذه الطاقة بتسيير الطائرات أو تجفيف السيارات أو التدفئة في يوم بارد. يمكّننا وعينا بإمكانيات الطاقة الكيميائية من تطوير تقنيات جديدة تعتمد على هذا المورد الكبير ، والتي قد تصبح يومًا ما أساسًا لكيفية إنشاء حقبة استعمارية جديدة داخل نظامنا الشمسي.
5. يمكننا التحكم في تأثيرات الطاقة الكيميائية في بيئتنا.
إن الضرر الناجم عن الاستخدام غير المنضبط وغير المنظم للطاقة الكيميائية عميق للغاية. على مدار الأربعين عامًا الماضية ، رأينا العديد من التغييرات تحدث داخل غلافنا الجوي الكوكبي ، يُعزى بعضها إلى استهلاكنا للطاقة الكيميائية. من الثقب في طبقة الأوزون إلى اتجاهات الاحتباس الحراري التي نشهدها ، وجدنا أنه عندما يتم استهلاك الطاقة الكيميائية بشكل مسؤول ، يمكننا إصلاح الأضرار السابقة دون تعريض الأجيال القادمة لخطر وراثة كوكب غير صحي.
6. الطاقة الكيميائية هي مصدر طاقة فعال.
لكي تكون تفاعلات الطاقة الكيميائية فعالة ، يجب أن يكون هناك مصدر للأكسجين لإكمال التفاعل. لدينا القدرة على التحكم بدقة في البيئات الدقيقة للسماح لعملية الاحتراق بأن تكون فعالة قدر الإمكان. يمكن توجيه الطاقة المنبعثة من عمليات الطاقة الكيميائية إلى حيث سيتم استهلاكها على الفور ، مما يقلل من مقدار فقد الطاقة الإجمالي الذي يحدث.
7. يمكن أن تولد مستويات عالية من النشاط الاقتصادي.
من البداية إلى النهاية ، تخلق دورة الطاقة الكيميائية أنشطة اقتصادية تساعدنا في الحفاظ على أنماط الحياة الحديثة. المزارعون الذين يزرعون الذرة أو قصب السكر للوقود يكسبون دخلاً من خلال توفير هذا المورد الأساسي. يكسب عمال المناجم لقمة العيش من خلال الوصول إلى المواد الخام. ثم تكسب المصافي إيرادات عن طريق تحويل المواد الأساسية إلى وقود يمكن استهلاكه. نظرًا لأننا نستهلك هذا الوقود ، فإننا نتابع الوظائف ، ونعتني بأسرنا ، ونخلق فرصًا تعليمية. ثم نأخذ ما تعلمناه لنكون أكثر كفاءة في وقت مبكر من دورة الإنتاج ونبدأ من جديد.
8. يمكننا استخدامه لخلق موارد الطاقة المتجددة.
على الرغم من أن تفاعلات الطاقة الكيميائية تتطلب استهلاكًا فريدًا ، إلا أنه يمكننا استخدام الطاقة لإنشاء عناصر توفر طاقة متجددة. يمكن استخدام الطاقة الكيميائية لإنشاء توربينات تجلب لنا الطاقة من الرياح. يمكن استخدامه لإنشاء الألواح الكهروضوئية التي تسمح لنا بتجميع الطاقة من ضوء الشمس. يمكننا أيضًا الحصول على الطاقة الكيميائية من العناصر العضوية التي يمكن زراعتها بسرعة. يمكن أن ينتج هكتار واحد من قصب السكر 180 طنًا من سيقان قصب السكر لكل حصاد ، وتنتج بعض المواقع 2-3 محاصيل سنويًا.
9. يمكن أيضًا تخزين الطاقة المنبعثة من الطاقة الكيميائية للاستخدام في المستقبل.
لنفترض أنك تقرأ هذا المحتوى على هاتف ذكي. لديك طاقة على هاتفك بسبب البطارية. تقوم بشحن تلك البطارية من منفذ يستقبل الطاقة الكهربائية من شبكة التوزيع المحلية الخاصة بك. يمكن للهاتف الجيد هذه الأيام ، في وضع الاستعداد ، أن يحافظ على أكثر من 7 أيام من الخدمة دون الحاجة إلى شحن آخر نظرًا لقدرته على تخزين الطاقة. على الرغم من إطلاق الطاقة الكيميائية على الفور ، إلا أن لدينا القدرة على تخزينها للاستهلاك عندما نحتاج إليها. أكبر بطارية في العالم تصنعها Tesla قادرة على تخزين 100 ميغاواط من الطاقة.
قائمة العيوب الرئيسية للطاقة الكيميائية
1. للوصول إلى الطاقة الكيميائية ، يجب أن نعتمد بشكل عام على الاحتراق.
للحصول على الطاقة من خلال الطاقة الكيميائية ، يجب علينا عمومًا إنشاء تفاعل احتراق. يوفر الاحتراق ميزة من حيث أنه يجعل الطاقة متاحة لنا على الفور. ومع ذلك ، يجب أن يكون هناك رد فعل مساوٍ ومعاكس لكل رد فعل. عندما نحرق الأشياء ، فإننا ندمرها. بمجرد أن نستهلك عنصرًا من خلال الطاقة الكيميائية ، فإنه يختفي. لا يمكننا استخدامه مرارا وتكرارا.
2. إنها ليست شكلاً نظيفًا من أشكال الطاقة.
تطلق عملية الاحتراق منتجات ثانوية في الغلاف الجوي يمكن أن يكون لها آثار ضارة طويلة المدى. تعتمد كمية المنتجات الثانوية التي يتم إطلاقها على نوع المادة التي يتم استهلاكها من خلال عمليات الطاقة الكيميائية. يطلق الفحم كميات كبيرة من الجسيمات وثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون عند الاحتراق. من ناحية أخرى ، يطلق الغاز الطبيعي انبعاثات قليلة جدًا باستخدام تقنيات الالتقاط النظيف. عندما تكون الطاقة النظيفة مطلوبة ، لا يمكن استخدام عمليات الطاقة الكيميائية بشكل عام.
3. لا يمكننا استبدال موارد الطاقة الكيميائية.
هناك مليارات البراميل من النفط الخام في الاحتياطي على كوكبنا الآن. لدينا تريليونات الأمتار المكعبة من الغاز الطبيعي. ومع ذلك ، عندما يتم استهلاك موارد الطاقة هذه ، فإنها تختفي. نحن بحاجة إلى المزيد من المنتجات للحصول على المزيد من الطاقة. بالنسبة للوقود الخشبي ووقود النباتات والموارد البيولوجية الأخرى ، من الأسهل تجديد إمداداتنا ، لكن المبدأ لا يزال موجودًا. بمجرد استخدام الطاقة الكيميائية ، يجب أن تستهلك المزيد لمواصلة تلقي النتائج المرجوة.
4. قد تكون موارد الطاقة الكيميائية باهظة الثمن.
يتم إنتاج معظم أشكال الطاقة الكيميائية من خلال الموارد الطبيعية. كثير منهم عضوي. هذا يعني أن الوصول إلى هذه الموارد قد يكون مكلفًا. لقيادة سياراتنا ، يجب علينا أولاً تكرير النفط وتحويله إلى بنزين. لكي يولد الفحم الكهرباء ، يجب استخراجه ثم نقله إلى حيث سيتم استهلاكه. حتى المنازل التي تحتوي على موقد حرق الأخشاب يجب أن تقطع شجرة وتقسيم جذوع الأشجار لاستهلاك الطاقة.
5. توافر بعض موارد الطاقة الكيميائية محدود للغاية.
أحد أكثر أشكال الطاقة الكيميائية كفاءة التي نستخدمها اليوم يأتي من اليورانيوم. على الرغم من أن الطاقة المتلقاة من الطاقة الكيميائية عبر اليورانيوم يمكن أن تكون أكبر بـ 20000 مرة من أشكال الطاقة الأخرى ، فإن التوافر الفعلي لليورانيوم محدود للغاية. فقط عدد قليل من البلدان حددت مصادر اليورانيوم التي يمكن الوصول إليها. بمجرد استهلاك اليورانيوم ، يجب استبداله لمواصلة استخدام تلك التكنولوجيا. هذا يعني أن البنى التحتية التي نبنيها لحلول الطاقة الكيميائية يمكن أن تصبح عديمة الفائدة إذا فقدنا الوصول إلى المواد الأساسية المستخدمة.
6. يمكن أن تنتج الطاقة الكيميائية نفايات سامة.
أحد أكبر عيوب الطاقة الكيميائية هو أن الحرارة مجرد منتج ثانوي لانطلاقها. ستطلق العديد من أشكال الطاقة الكيميائية أيضًا الإشعاع أثناء عملية توليد الطاقة. لدينا تقنيات تتحكم في مستويات التعرض لهذا الانبعاث الإشعاعي ، على الرغم من أن ذلك لا يقلل من المخاطر التي قد نواجهها. لقد وقع أكثر من اثني عشر حادثًا نوويًا تتعلق بالمنشآت الكهربائية والمفاعلات على السفن أو الغواصات منذ اختراع التكنولوجيا. يعد مرض الرئة السوداء مشكلة مستمرة لعمال مناجم الفحم.
7. يمكننا إلحاق الضرر بالآخرين من خلال استخدام تقنيات الطاقة الكيميائية.
يعد استخدام الغازات السامة في الصراع السوري مجرد مثال واحد على كيفية إيذاء الآخرين باستخدام تقنيات الطاقة الكيميائية. الصواريخ التي تطلقها الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وفرنسا على المنشآت السورية لوقف إنتاج الأسلحة الكيميائية هي طريقة أخرى لتحويل الطاقة الكيميائية إلى أسلحة. تم عرض المثال الأكثر تدميراً لما يمكننا فعله باستخدام الطاقة الكيميائية في الأيام الأخيرة من الحرب العالمية الثانية في اليابان. باستخدام تقنيات الطاقة الكيميائية ، لدينا القدرة حرفياً على تدمير كوكبنا في ظل الظروف المناسبة.
8. يمكن أن يكون للطاقة الكيميائية سلبيات غير مقصودة لا نعرف عنها حتى.
منذ بداية الثورة الصناعية ، شهد كوكبنا العديد من الفوائد المتعلقة بنمط الحياة. لقد عملنا على استئصال المرض. لقد قمنا بتحسين التقنيات التي تطيل العمر. كما جعلنا المحيطات أكثر حمضية ، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة غلافنا الجوي بأكثر من درجتين ، وخلق مشاكل أخرى غير معروفة طويلة الأجل قد تؤثر على صحة كوكبنا للأجيال القادمة. غالبًا ما ننظر إلى الفوائد الفورية لهذا المورد دون التفكير فيما قد يحدث بعد 10 أو 50 أو 100 عام من الآن.
تسمح لنا المزايا والعيوب الرئيسية للطاقة الكيميائية بمعرفة مدى فائدة هذا المورد بالنسبة لنا. كما أنها توضح لنا مقدار الدمار الذي يمكن أن تسببه الطاقة الكيميائية في ظل ظروف معينة. تقع على عاتقنا مسؤولية استخدام الطاقة الكيميائية بطريقة تفيدنا اليوم وغدًا وفي المستقبل.