Energía química

La energía química constituye el potencial inherente a una sustancia química para someterse a una transformación mediante una reacción química o convertirse en otras sustancias químicas. La formación o ruptura de enlaces químicos implica la presencia y gestión de energía. Este proceso energético puede manifestarse como absorción o liberación dentro de un sistema químico.

Las reacciones químicas, según su naturaleza, tienen la capacidad de liberar o absorber energía, revelando así la dinámica intrínseca y diversa de la energía química en el mundo molecular.

En este artículo te explicamos los condeptos fundamentales de este tipo de energía.

¿Qué es la energía química?

La energía química es la forma de energía potencial almacenada en las conexiones entre átomos y moléculas. Se manifiesta durante las reacciones químicas cuando los enlaces entre átomos se forman o rompen. Esta energía está presente en una variedad de sistemas, desde alimentos hasta combustibles fósiles.

Cuando los enlaces químicos se forman, se absorbe energía; cuando se rompen, se libera energía. La energía química es fundamental para entender fenómenos biológicos, como la respiración celular y la fotosíntesis, así como procesos industriales y la generación de energía.

Ejemplos de energía química

A continuación unos cuantos ejemplos de energía química:

• Combustibles Fósiles: Los hidrocarburos como el petróleo, el gas natural y el carbón contienen energía química almacenada en sus enlaces moleculares. Esta energía se libera durante la combustión.
• Baterías: Almacenan energía a través de reacciones electroquímicas entre sus componentes, convirtiéndola en energía eléctrica durante la descarga.
• Alimentos: Este tipo de energía se encuentra en los enlaces moleculares de las moléculas orgánicas presentes en los alimentos, liberándose durante la digestión.
• Pilas y acumuladores: Almacenan energía química, liberándola como energía eléctrica cuando se completa el circuito.
• Explosivos: Sustancias como la pólvora contienen energía química concentrada en sus enlaces moleculares, liberándola durante reacciones explosivas.
• Hidrógeno: Puede almacenar energía en su forma gaseosa o líquida y se utiliza como combustible en celdas de combustible para generar electricidad mediante reacciones químicas con oxígeno.
• Biomasa: La madera o residuos orgánicos almacenan este tipo de energía, liberándola durante la combustión para generar calor o electricidad.
• Fertilizantes: Algunos fertilizantes contienen compuestos nitrogenados que pueden liberar energía durante procesos de descomposición o reacciones químicas.
• Fotosíntesis: Las plantas, algas y algunas bacterias capturan la energía de la luz solar y la convierten en energía química almacenada en moléculas orgánicas, como la glucosa.

Tipos de energía química

Desde un punto de vista científico, la energía química se puede clasificar en varias categorías en función de los diferentes aspectos que la componen y las reacciones químicas asociadas.

A continuación mostramos una lista completa de los tipos de energía química:

• Energía de enlace: La energía de enlace es la energía requerida para romper un enlace químico y formar átomos o moléculas separadas. La formación y rotura de enlaces contribuyen a las reacciones químicas y pueden liberar o absorber energía.
• Energía de activación: La energía mínima necesaria para iniciar una reacción química. Representa la barrera que debe superarse para que la reacción ocurra.
• Energía de reacción: es la cantidad de energía absorbida o liberada durante una reacción química. Se mide por la diferencia entre la energía de los productos y los reactivos. Puede ser exotérmica (libera energía) o endotérmica (absorbe energía). Su comprensión es crucial para entender el comportamiento de las sustancias en las transformaciones químicas.
• Energía potencial de interacciones electrostáticas: La energía asociada con las interacciones atractivas o repulsivas entre cargas eléctricas presentes en la materia, como las que se encuentran en enlaces iónicos o covalentes.
• Energía cinética de electrones: La energía asociada con el movimiento de los electrones alrededor del núcleo de un átomo. La distribución de electrones en los niveles de energía afecta las propiedades químicas de un elemento.
• Energía nuclear: La energía presente en el núcleo de un átomo, relacionada con la unión de partículas subatómicas como protones y neutrones. Los procesos nucleares, como la fisión y la fusión, pueden liberar o absorber energía.
• Energía de ionización: La energía requerida para quitar un electrón de un átomo.
• Afinidad electrónica: La energía liberada cuando se añade un electrón a un átomo.
• Energía de solvatación: La energía asociada con la solvatación de iones en un solvente.
• Energía de cambios de fase: La energía asociada con cambios de fase, como la evaporación o la condensación.
• Energía química en reacciones redox: La energía liberada o absorbida durante reacciones de oxidación-reducción.

Energía química potencial

La energía química potencial es una forma de energía potencial relacionada con la disposición estructural de los átomos o las moléculas. Esta disposición puede ser resultado de los enlaces químicos entre las moléculas. 

La energía química potencial depende de la posición mutua de las partículas que constituyen una sustancia. La fuerza de los enlaces químicos se asocia con la distancia entre los elementos químicos. Los enlaces más fuertes son los que tienen los elementos químicos implicados más cerca.

El término similar de potencial químico se utiliza para indicar el potencial de una sustancia de experimentar un cambio de configuración.

Química nuclear

La química nuclear es una rama de la química que se ocupa del estudio de los siguientes aspectos químicos:

• propiedades nucleares (como la estructura del núcleo atómico, las reacciones nucleares y la desintegración radiactiva)

• propiedades de los elementos del final del sistema periódico (para los cuales es esencial la detección de radiación nuclear)

• fenómenos macroscópicos en los que intervienen procesos nucleares.

• Aplicación de técnicas de análisis basadas en fenómenos nucleares en el estudio de problemas científicos en una variedad de campos científicos o técnicos.

Energía interna de una reacción química

La energía interna de una reacción química es la energía que se libera o absorbe por una reacción química entre los átomos de dos sustancias químicas. Esta energía es igual a la diferencia entre la cantidad de energía de los productos y de los reactivos.

Los intercambios de energía química se producen en el curso de las transformaciones que tienen lugar a nivel de moléculas.

Tipos de reacciones químicas

Existen 6 tipos de reacción química:

• Descomposición: al convertir una sustancia compleja en otra sustancia más simple.

• Desplazamiento simple: se produce cuando un átomo de una sustancia se transfiere a otra sustancia.

• Desplazamiento doble: los átomos de dos sustancias se intercambian unos con otros.

• Combustión: al elevar la temperatura de un combustible (por ejemplo, carbón) se generan reacciones químicas que liberan calor.

• Síntesis: es la energía que se desprende cuando se forma una sustancia más compleja a partir de dos sustancias simples.

Un caso particular: los combustibles fósiles

Un término adicional de relevancia es el "calor de combustión", el cual representa la energía liberada durante una reacción de combustión. Este concepto se emplea con frecuencia en el análisis de los combustibles fósiles.

Los combustibles albergan energía química, la cual se transforma en energía mecánica mediante su combustión, especialmente en motores térmicos. Esta conversión posibilita la transformación directa de la energía resultante de la reacción química de la combustión en energía eléctrica o mecánica.