Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Химические связи как накопители энергии

Как уже отмечено выше, большинство источников энергии несет в себе энергию солнечного излучения в виде химической энергии, которая различными способами может быть превращена в форму, удобную для использования.

Химическая энергия с точки зрения термодинамики и теории строения вещества

К исследованию химической энергии можно подойти двумя различными путями. При макроскопическом подходе достаточно ограничиться непосредственно наблюдаемыми энергетическими процессами, не принимая во внимание механизма этих процессов. Именно таким путем идет термодинамика, которая обеспечивает теоретическую основу при разработке тепловых двигателей. Для определенного уровня практических требований такой подход вполне удовлетворителен.

Однако более глубокое понимание процессов превращения энергии возможно только при проникновении в микромир, т.е. при исследовании свойств атомных и молекулярных структур, которые лежат в основе процессов возникновения и разрыва химических связей. Этими вопросами занимается наука о строении вещества, в частности атомная физика и квантовая теория. Структура атомов и молекул чрезвычайно сложна, поэтому упрощенное представление о ней (хотя оно и возможно) весьма грубо отражает действительность. Полученные на основе такого представления результаты часто недостаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, следовательно, их применение на практике весьма ограничено. Дальнейшее развитие науки потребовало разработки теорий, более точно отражающих действительность, а поэтому более сложных и гораздо менее наглядных. Такой теорией является квантовая теория (квантовая механика и квантовая химия), изучающая структуру и превращения атомов и молекул. Эта теория лишена наглядности, она занимается скрытыми явлениями природы, нигде непосредственно не встречающимися, которые не воспринимаются нашими органами чувств.

Химические связи и химическая энергия

При образовании химических связей между атомами освобождается энергия. Эта энергия в больщинстве случаев выделяется в виде тепла, но при определенных условиях можно большую часть освобождающейся химической энергии перевести в работу. Другими, словами, между атомами возникает сила химического притяжения, которая при образовании химической связи между двумя атомами производит работу. Если, напротив, мы хотим разделить уже связанные атомы, разорвать химическую связь, то нужно произвести работу, т.е. затратить энергию. Следовательно, суммарная энергия двух отдельных друг от друга атомов больше, чем энергия двух химически связанных атомов. Разница этих энергий и есть энергия связи, эквивалентная той работе, которую необходимо затратить, чтобы разорвать химическую связь между двумя атомами.

Энергия связи

Энергия, которая называется химической, - это собственно энергия, выделяющаяся при образовании химических связей в веществах, являющихся продуктами химического превращения. Естественно, что молекулы большинства веществ состоят не из двух, а из большего количества атомов; химическая энергия таких веществ - сумма энергий - тем выше, чем больше число атомов, входящих в состав молекулы, и тем меньше, чем больше сумма энергий связи этих атомов.

Энергия связанного состояния каждой пары атомов меньше, чем энергия свободного состояния. В молекуле, состоящей более чем из двух атомов, энергия связи двух атомов зависит не только от свойств этих атомов, но и от свойств остальных атомов и их положения в молекуле. Два одинаковых атома в различных соединениях могут быть по-разному связаны друг с другом (например, одно-, двух- или трехвалентными связями). Так, в случае одинарной связи атомов углерода и кислорода (С-О) энергия связи Есв = 85 ккал/моль, а в случае двойной связи (С=О) Есв =180 ккал/моль;

Энергией связи обладают не только соединения, но и химические элементы, поскольку химическое притяжение может действовать также между одинаковыми атомами. В земных условиях большинство элементов существует не в виде изолированных атомов, а в виде двух- или многоатомных молекул. В некоторых веществах, находящихся в твердом или жидком агрегатном состоянии, возможно существование химических связей между атомами без образования молекул (так, энергия связи между атомами углерода равна 85 ккал/моль на каждую связь). Лишь немногие вещества состоят из отдельных атомов (например пары металлов или инертные газы), кислород, азот и водород образуют двухатомные молекулы, где два одинаковых атома обладают значительной энергий связи:

Ог-Ес=96 ккал/моль; N2-Ec»=226 ккал/моль; Н2-Еа.=104,2 ккал/моль.

Таким образом, химическая связь между двумя одинаковыми или различными атомами образуется в том случае, если при этом стабильность их внешних электронных оболочек увеличивается, а их энергия уменьшается. Освобождающаяся здесь энергия называется энергией химической связи.

Вопросы химической связи рассматриваются в квантовой химии, которая позволяет в относительно простых случаях установить, какие атомы и при каких условиях могут образовывать химическую связь, какая при этом выделяется энергия, какова структура вновь образованной молекулы.