Повечето химични реакции, използвани за производството на топлина, са реакции на горене. Енергията, отделяна при изгарянето на 1 g материал, често се нарича неговата горивна стойност. Тъй като стойностите на горивото представляват топлината, отделена при горене, стойностите на горивото са положителни числа. Стойността на гориво на всяка храна или гориво може да бъде измерена с калориметрия.

раздел

Храни

Повечето от енергията, от която се нуждаят нашите тела, идват от въглехидрати и мазнини. Въглехидратите се разграждат в червата до глюкоза, C 6 H 12 O 6. Глюкозата е разтворима в кръвта, а в човешкото тяло е известна като кръвна захар. Той се транспортира от кръвта до клетките, където реагира с O 2 в поредица от стъпки, като в крайна сметка произвежда CO 2 (g), H 2 O (l) и енергия:

Разграждането на въглехидратите е бързо, така че тяхната енергия бързо се доставя в тялото. Въпреки това, тялото съхранява само много малко количество въглехидрати. Средната горивна стойност на въглехидратите е 17 kJ/g (4 kcal/g).

Подобно на въглехидратите, мазнините произвеждат CO 2 и H 2 O в своя метаболизъм и при изгарянето си в бомбен калориметър. Реакцията на тристеарин, C 57 H 110 O 6, типична мазнина, е както следва:

Тялото използва химическата енергия от храните за различни цели: за поддържане на телесната температура, за задвижване на мускулите и за изграждане и възстановяване на тъкани. Всяка излишна енергия се съхранява като мазнини. Мазнините са подходящи да служат като енергиен резерв на тялото поне по две причини: (1) Те са неразтворими във вода, което позволява съхраняването им в тялото; и (2) те произвеждат повече енергия на грам от протеини или въглехидрати, което ги прави масови енергийни източници. Средната горивна стойност на мазнините е 38 kJ/g (9 kcal/g).

В случай на протеини, метаболизмът в тялото произвежда по-малко енергия, отколкото изгарянето в калориметър, тъй като продуктите са различни. Протеините съдържат азот, който се отделя в калориметъра на бомбата като N 2. В тялото този азот завършва главно като урея, (NH 2) 2 CO. Протеините се използват от тялото главно като строителни материали за стени на органи, кожа, коса, мускули и т.н. Средно метаболизмът на протеините произвежда 17 kJ/g (4 kcal/g), същото като при въглехидратите.

Стойностите на горивата за различни обикновени храни са показани в таблица 5.4. Етикетите върху пакетираните храни показват количествата въглехидрати, мазнини и протеини, съдържащи се в средна порция, както и енергийната стойност на порцията (Фигура 5.21). Количеството енергия, от което се нуждаят телата ни, варира значително в зависимост от фактори като тегло, възраст и мускулна активност. За поддържане на функционирането на тялото на минимално ниво са необходими около 100 kJ на килограм телесно тегло на ден. Средно 70 кг (154 lb.) Човек изразходва около 800 kJ/hr, когато върши лека работа, като бавно ходене или леко градинарство. Натоварващата дейност, като бягане, често изисква 2000 kJ/час или повече. Когато енергийното съдържание на нашата храна надвишава енергията, която изразходваме, тялото ни съхранява излишъка като мазнина.

ПРИМЕРНО УПРАЖНЕНИЕ 5.11

(а) Сервиране на 28 g (1 oz) популярна зърнена закуска, поднесена със 120 ml обезмаслено мляко, осигурява 8 g протеин, 26 g въглехидрати и 2 g мазнини. Използвайки средните стойности на горивата за тези видове вещества, преценете количеството хранителна енергия в тази порция. (б) Човек със средно тегло използва около 100 Cal/mi при бягане или джогинг. Колко порции от тази зърнена храна осигуряват изискванията за стойност на горивото за бягане на 3 мили?

РЕШЕНИЕ (а) Даваме ни масата на протеини, въглехидрати и мазнини в сервирането на зърнени храни. Можем да използваме данните в таблица 5.4, за да преобразуваме тези маси в техните горивни стойности, които можем да сумираме, за да получим общата енергия на храната:

Това съответства на 160 kcal:

Припомнете си, че диетичната калория е еквивалентна на 1 kcal. По този начин сервирането осигурява 160 кал.

(б) Декларацията за проблема предоставя коефициент на преобразуване между калории и мили. Отговорът на част (а) ни предоставя коефициент на преобразуване между порции и калории. Можем да използваме тези фактори при директен размерен анализ, за ​​да определим броя на необходимите порции, закръглени до най-близкото цяло число:

ПРАКТИЧЕСКО УПРАЖНЕНИЕ

(а) Сухият червен боб съдържа 62% въглехидрати, 22% протеини и 1,5% мазнини. Оценете стойността на горивата на тези зърна. (б) Много лека активност като четене или гледане на телевизия използва около 7 kJ/min. Колко минути такава активност може да се поддържа от енергията, предоставена от кутия супа с пилешки нудъли, съдържаща 13 g протеин, 15 g въглехидрати и 5 g мазнини? Отговори: (а) 15 kJ/g; (b) 95 минути.

Горива

Елементарният състав и стойностите на горивата на няколко обикновени горива са сравнени в таблица 5.5. По време на пълното изгаряне на горивата въглеродът се превръща в CO 2, а водородът се превръща в H 2 O, като и двете имат големи отрицателни енталпии на образуване. Следователно, колкото по-голям е процентът на въглерод и водород в дадено гориво, толкова по-висока е неговата горивна стойност. Сравнете например състава и стойностите на горивата на битуминозните въглища и дървесината. Въглищата имат по-висока горивна стойност поради по-голямото си съдържание на въглерод.

През 1997 г. Съединените щати консумираха 9,89 10 16 kJ енергия; т.е. близо 100 квадрилиона kJ. Тази стойност съответства на среднодневно енергийно потребление на човек от 1,0 10 6 kJ, което е приблизително 100 пъти по-голямо от нуждите от храна за енергия на глава от населението. Ние сме много енергоемко общество. Фигура 5.22 илюстрира източниците на това потребление на енергия.

Фигура 5.22 Източници на енергия, консумирана в САЩ. През 1997 г. Съединените щати консумираха общо 9,9 10 16 kJ енергия.

Въглищата, петролът и природният газ, които са основните ни източници на енергия, са известни като изкопаеми горива. Всички са се образували в продължение на милиони години от разлагането на растенията и животните и се изчерпват далеч по-бързо, отколкото се формират. Природният газ се състои от газообразни въглеводороди, съединения на водорода и въглерода. Съдържа предимно метан, CH 4, с малки количества етан, C 2 H 6, пропан, C 3 H 8 и бутан, C 4 H 10. Определихме горивната стойност на пропан в пробно упражнение 5.9. Петролът е течност, съставена от стотици съединения. Повечето от тези съединения са въглеводороди, като останалата част са предимно органични съединения, съдържащи сяра, азот или кислород. Въглищата, които са твърди, съдържат въглеводороди с високо молекулно тегло, както и съединения, съдържащи сяра, кислород или азот. Сярата в петрола и въглищата е основен източник на замърсяване на въздуха, както ще обсъдим в глава 18.

Въглищата са най-разпространеното изкопаемо гориво; тя представлява 80 процента от запасите от изкопаеми горива в Съединените щати и 90 процента от тези в света. Използването на въглища обаче създава редица проблеми. Въглищата са сложна смес от вещества и съдържат компоненти, които причиняват замърсяване на въздуха. Тъй като е твърдо вещество, възстановяването от подземните му находища е скъпо и често опасно. Освен това находищата на въглища не винаги са в близост до места с голямо потребление на енергия, така че често има значителни транспортни разходи.

Един обещаващ начин за оползотворяване на нашите запаси от въглища е използването им за получаване на смес от газообразни въглеводороди, наречени синтетичен газ (за „синтезиран газ“). В този процес, наречен газификация на въглищата, въглищата обикновено се пулверизират и обработват с прегрята пара. Съдържащите сяра съединения, вода и въглероден диоксид могат да бъдат отстранени от продуктите, което води до смес от CH 4, H 2 и CO газове, като всички те имат високи горивни стойности:

Тъй като е газообразен, синтетичният газ може лесно да се транспортира по тръбопроводи. Освен това, тъй като голяма част от сярата във въглищата се отстранява по време на процеса на газификация, изгарянето на синтетичен газ причинява по-малко замърсяване на въздуха, отколкото изгарянето на въглища. Поради тези причини икономичното превръщане на въглищата и петрола в „по-чисти“ горива като синтетичен газ и водород (вижте полето „Химия на работа“ по-долу) е много активна област на съвременните изследвания в областта на химията и инженерството.

Други енергийни източници

Ядрената енергия е енергия, която се отделя при разделянето или сливането на ядрата на атомите. В момента ядрената енергия се използва за производство на около 22% от електрическата енергия в Съединените щати и представлява около 7% от общото производство на енергия в САЩ (Фигура 5.22). Ядрената енергия по принцип е без замърсяващи емисии, които са основен проблем при производството на енергия от изкопаеми горива. Ядрените централи обаче произвеждат радиоактивни отпадъчни продукти и поради това тяхното използване е изпълнено с противоречия. Ще обсъдим въпроси, свързани с производството на ядрена енергия в глава 21.

Изкопаемите горива и ядрената енергия са невъзобновяеми енергийни източници; използваните горива са ограничени ресурси, които консумираме с много по-голяма скорост, отколкото са регенерирани. В крайна сметка тези горива ще бъдат изразходвани, въпреки че оценките се различават значително по отношение на това кога ще се случи. Тъй като невъзобновяемите енергийни източници в крайна сметка ще бъдат изразходвани, има много изследвания върху източници на възобновяема енергия, енергийни източници, които по същество са неизчерпаеми. Възобновяемите енергийни източници включват слънчева енергия от Слънцето, вятърна енергия, използвана от вятърни мелници, геотермална енергия от топлината, съхранявана в масата на Земята, водноелектрическа енергия от течащи реки и енергия от биомаса от култури като дървета и царевица и от биологични отпадъци. Понастоящем възобновяемите източници осигуряват около 7,6 процента от годишното потребление на енергия в САЩ, като единственият значителен принос са хидроелектрическите (4,2 процента) и биомасата (2,9 процента).

Осигуряването на бъдещите ни енергийни нужди със сигурност ще зависи от развитието на технологията за използване на слънчевата енергия с по-голяма ефективност. Слънчевата енергия е най-големият източник на енергия в света. В ясен ден около 1 kJ слънчева енергия достига всеки квадратен метър от земната повърхност всяка секунда. Слънчевата енергия, която попада само на 0,1 процента от площта на САЩ, е еквивалентна на цялата енергия, която тази нация използва в момента. Използването на тази енергия е трудно, тъй като тя е разредена (тя е разпределена на широка площ) и се колебае във времето и метеорологичните условия. Ефективното използване на слънчевата енергия ще зависи от разработването на някои начини за съхраняване на събраната енергия за използване по-късно. Всички практически средства за това почти сигурно ще включват използване на ендотермичен химичен процес, който по-късно може да бъде обърнат, за да се отдели топлина. Една такава реакция е следната:

Тази реакция протича в посока напред при високи температури, които могат да бъдат получени в слънчева пещ. След това образуваните в реакцията CO и H2 могат да се съхраняват и да се оставят да реагират по-късно, като отделената топлина се използва за полезна работа.

Слънчевата енергия може да се преобразува директно в електричество чрез използване на фотоволтаични устройства, понякога наричани слънчеви клетки. Ефективността на преобразуването на слънчева енергия чрез използване на такива устройства се е увеличила драстично през последните няколко години в резултат на интензивни изследователски усилия. Фотоволтаиците са жизненоважни за генерирането на енергия за сателитите. Въпреки това, за мащабно генериране на полезна енергия на повърхността на Земята, те все още не са практични поради високата единична цена. Дори ако разходите бъдат намалени, трябва да се намерят някакви средства за съхраняване на енергията, произведена от слънчевите клетки, защото слънцето грее само периодично и само през част от деня на всяко място. За пореден път решението на този проблем почти сигурно ще бъде използването на енергията, за да предизвика химическа реакция да протече в посоката, в която е ендотермична.

ПРИМЕРНО ИНТЕГРАЦИОННО УПРАЖНЕНИЕ 5: Съчетаване на концепции

Когато 75.0 ml 0.100 M Na2S04 (aq) и 25.0 ml 0.200 M AgNO3 (aq) се смесят заедно в бехерова чаша, се образува бяла утайка. Да приемем, че и двата разтвора първоначално са при 25 ° C, а крайният обем на разтвора е 100,0 ml. (а) Какво е нетното йонно уравнение за реакцията, която настъпва? (б) Какъв е ограничителният реагент в тази реакция? (в) Какъв е теоретичният добив в грамове за образуваната утайка? (г) Като се има предвид, че за Ag 2 SO 4 (s) е -715,2 kJ/mol, изчислете количеството топлина, погълната или отделена по време на тази реакция. (д) Ще се повиши ли или намали ли температурата на разтвора с настъпването на реакцията? Обяснете.

РЕШЕНИЕ (а) Както Na 2 SO 4, така и AgNO 3 са силни електролити. Тъй като солите на Na + и на NO 3 - йони са винаги разтворими, утайката трябва да бъде солта, образувана от реакцията на Ag + и SO 4 2–, която въз основа на зарядите на йоните трябва да бъде Ag 2 SO 4 . Следователно нетното йонно уравнение е:

(б) За да определим ограничителния реагент, първо изчисляваме броя на моловете Ag + и SO 4 2– в разтворите, които се смесват. Спомнете си, че броят на бенките е равен на обема на разтвора, умножен по неговата моларност. Тъй като AgNO 3 и Na 2 SO 4 са силни електролити, концентрациите на Ag + и SO 4 2– са равни на моларностите на изходните разтвори:

Нетното йонно уравнение ни казва, че ще консумираме два пъти повече мола Ag +, отколкото SO 4 2–. По този начин са необходими само 2,50 10 –3 mol от SO 4 2–, за да реагира напълно с 5,00 10 –3 mol от Ag +. Заключваме, че Ag + е ограничителният реагент. (в) От уравнението на нетните йони виждаме, че 2 mol Ag + 1 mol Ag 2 SO 4. Видяхме в част (б), че в тази реакция се изразходват 5,00 10 –3 mol Ag +, така че трябва да се получат 2,50 10 –3 mol Ag 2 SO 4. Преобразуваме бенките в грамове, като използваме формулното тегло на Ag 2 SO 4:

Тази стойност е теоретичният добив на Ag2S04 за тази реакция. (d) Ще използваме енталпии на образуването, за да изчислим изменението на енталпията за чистата йонна реакция (уравнение 5.29). Стойността на за Ag 2 SO 4 (s) е дадена в задачата, а стойностите за Ag + (aq) и SO 4 2– (aq) са дадени в Приложение C на учебника.

Не забравяйте, че при термохимичните реакции приемаме, че коефициентите съответстват на молове на реагентите и продуктите. Тъй като коефициентът на Ag 2 SO 4 в уравнение 5.29 е един, нашата изчислена стойност съответства на H = -17,7 kJ на мол произведен Ag 2 SO 4. Видяхме в част (в), че произвеждаме 2,50 10 –3 мола Ag 2 SO 4. По този начин стойността на H за количествата, използвани в тази конкретна реакция, е H = (2,50 10 –3 mol Ag 2 SO 4) (- 17,7 kJ/mol Ag 2 SO 4) = -4,43 10 –2 kJ. (д) Реакцията е екзотермична (Н