7.1: Bonos Energéticos y Químicos

Objetivos de aprendizaje

• Definir la energía y distinguir los diferentes tipos de energía, potencial y cinética.

Los cambios químicos y los cambios que acompañan en la energía son partes importantes de nuestro mundo cotidiano (Figura\(\PageIndex{1}\)). Los macronutrientes en los alimentos (proteínas, grasas e hidratos de carbono) sufren reacciones metabólicas que proporcionan la energía para mantener nuestro cuerpo funcionando. Quemamos una variedad de combustibles (gasolina, gas natural, carbón) para producir energía para el transporte, la calefacción y la generación de electricidad. Las reacciones químicas industriales utilizan enormes cantidades de energía para producir materias primas (como el hierro y el aluminio). La energía se utiliza entonces para fabricar esas materias primas en productos útiles, como automóviles, rascacielos y puentes.

Figura\(\PageIndex{1}\): La energía involucrada en los cambios químicos es importante para nuestra vida cotidiana: (a) Una hamburguesa con queso para el almuerzo proporciona la energía que necesita para pasar el resto del día; (b) la combustión de gasolina proporciona la energía que mueve su automóvil (y usted) entre el hogar, el trabajo y la escuela; y (c) coque, una forma procesada de carbón, proporciona la energía necesaria para convertir el mineral de hierro en hierro, lo cual es esencial para elaborar muchos de los productos que usamos a diario. (crédito a: modificación de obra de “Pink Sherbet Photography”/Flickr; crédito b: modificación de obra de Jeffery Turner).

Más del 90% de la energía que utilizamos proviene originalmente del sol. Todos los días, el sol proporciona a la tierra casi 10,000 veces la cantidad de energía necesaria para satisfacer todas las necesidades energéticas del mundo para ese día. Nuestro desafío es encontrar formas de convertir y almacenar la energía solar entrante para que pueda ser utilizada en reacciones o procesos químicos que sean convenientes y no contaminantes. Las plantas y muchas bacterias capturan la energía solar a través de la fotosíntesis. Liberamos la energía almacenada en las plantas cuando quemamos madera o productos vegetales como el etanol. También utilizamos esta energía para alimentar nuestros cuerpos al comer alimentos que provienen directamente de las plantas o de los animales que obtuvieron su energía al comer plantas. La quema de carbón y petróleo también libera energía solar almacenada: Estos combustibles son materia vegetal y animal fosilizada.

Energía

La energía puede definirse como la capacidad de suministrar calor o hacer trabajo. Un tipo de trabajo (w) es el proceso de hacer que la materia se mueva contra una fuerza contraria. Por ejemplo, trabajamos cuando inflamos una llanta de bicicleta; movemos la materia (el aire en la bomba) contra la fuerza contraria del aire que rodea la llanta.

Al igual que la materia, la energía viene en diferentes tipos. Un esquema clasifica la energía en dos tipos: energía potencial, la energía que tiene un objeto debido a su posición relativa, composición o condición, a menudo denominada energía almacenada, y energía cinética, la energía que posee un objeto por su movimiento. El agua en la parte superior de una cascada o presa tiene energía potencial debido a su posición; cuando fluye hacia abajo a través de generadores, tiene energía cinética que puede ser utilizada para hacer trabajos y producir electricidad en una planta hidroeléctrica (Figura\(\PageIndex{2}\)). Una batería tiene energía potencial porque los químicos dentro de ella pueden producir electricidad que puede funcionar.

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) El agua que es mayor en elevación, por ejemplo, en la cima de las Cataratas Victoria, tiene una mayor energía potencial que el agua a una elevación menor. A medida que cae el agua, parte de su energía potencial se convierte en energía cinética. b) Si el agua fluye a través de generadores en el fondo de una presa, como la Presa Hoover que se muestra aquí, su energía cinética se convierte en energía eléctrica. (crédito a: modificación de obra de Steve Jurvetson; crédito b: modificación de obra por “curimedia” /Wikimedia commons).

La energía se puede convertir de una forma a otra, pero toda la energía presente antes de que ocurra un cambio siempre existe de alguna forma después de que se complete el cambio. Esta observación se expresa en la ley de conservación de la energía: durante un cambio químico o físico, la energía no puede crearse ni destruirse, aunque se puede cambiar de forma. (Esta es también una versión de la primera ley de la termodinámica, como aprenderás más adelante.)

Cuando una sustancia se convierte en otra, siempre hay una conversión asociada de una forma de energía en otra. El calor suele ser liberado o absorbido, pero a veces la conversión involucra luz, energía eléctrica o alguna otra forma de energía. Por ejemplo, la energía química (un tipo de energía potencial) se almacena en las moléculas que componen la gasolina. Cuando la gasolina se quema dentro de los cilindros del motor de un automóvil, los productos gaseosos de rápida expansión de esta reacción química generan energía mecánica (un tipo de energía cinética) cuando mueven los pistones de los cilindros.

De acuerdo con la ley de conservación de la materia (vista en un capítulo anterior), no hay cambio detectable en la cantidad total de materia durante un cambio químico. Cuando ocurren reacciones químicas, los cambios de energía son relativamente modestos y los cambios de masa son demasiado pequeños para medirlos, por lo que las leyes de conservación de la materia y la energía se mantienen bien. Sin embargo, en las reacciones nucleares, los cambios de energía son mucho mayores (por factores de aproximadamente un millón), los cambios de masa son medibles y las conversiones materia-energía son significativas. Esto será examinado con más detalle en un capítulo posterior sobre química nuclear. Para abarcar tanto los cambios químicos como los nucleares, combinamos estas leyes en una sola declaración: La cantidad total de materia y energía en el universo es fija.