Kemisk energi: bindinger, brændværdi og energiomdannelse

Et stykke brænde ligger stille på gulvet i flere år og gør absolut ingenting. Smid det på bålet, og det afgiver varme og lys i en hel aften. Hvor kommer energien fra? Svaret er kemisk energi: den energi, der ligger gemt i brændets kemiske bindinger, og som først kommer til syne, når bindingerne bliver omarrangeret.

Det samme gælder din morgenmad, benzinen i en bil og batteriet i din telefon. Ingen af dem viser nogen aktivitet, før en kemisk reaktion sætter gang i dem. Energien sidder i bindingerne mellem atomerne, og den kan du både forklare og regne på.

Hvad er kemisk energi?

Tænd for gaskomfuret, og en usynlig gas bliver til en blå flamme. Gassen er metan, \( CH_4 \). Hvert molekyle har fire bindinger mellem kulstof og brint, og tilsammen rummer de en bestemt mængde energi. Når metanen reagerer med ilt fra luften, bliver bindingerne brudt, og atomerne danner nye bindinger i kuldioxid og vand. De nye bindinger er tilsammen stærkere end de gamle, og forskellen forsvinder ikke. Den kommer ud som varme og lys.

Vil du have den præcise fysiske version, forklarer DTUs energileksikon, at kemisk energi er lagret som potentiel og kinetisk energi af de elektroner, der udgør de kemiske bindinger i et stof. Elektronerne bliver holdt på plads af atomkernernes positive ladning, og det er den elektriske tiltrækning, der gør en binding til et lille energilager.

Det lyder abstrakt, men du kender virkningen. En pakke slik, en opladet powerbank og en fyldt dieseltank er alle depoter. Energien er der hele tiden. Det, der mangler, er en reaktion, der åbner depotet.

Kemisk energi kaldes også for bindingsenergi i daglig tale. Den kan ikke måles direkte, som du måler en temperatur. Du ser den kun, når den bliver omdannet, og derfor regner du altid på forskellen mellem før og efter en reaktion.

Bindinger koster og giver energi

Hvorfor frigiver metan energi, når bindingerne i molekylet bliver brudt? Spørgsmålet er faktisk stillet forkert, og det er en af de mest sejlivede misforståelser i emnet. Det kræver energi at bryde en binding, på samme måde som det kræver kraft at trække to magneter fra hinanden. Energien frigives først, når der dannes nye bindinger.

I en kemisk reaktion sker begge dele. Du bruger energi på at bryde de gamle bindinger og får energi tilbage, når de nye bindinger dannes. Er der mest at hente ved dannelsen, ender du med et overskud, og reaktionen kaldes exoterm. Kræver bindingsbruddet mest, skal energien tilføres udefra, og reaktionen kaldes endoterm.

Diagrammet viser reaktanterne på et højt energiniveau og produkterne på et lavt. Energi afgives, når systemet falder fra det høje niveau til det lave, og forskellen er præcis den varme, du mærker fra flammen.

Lad os regne på forbrændingen af metan med gennemsnitlige bindingsenergier. Der skal brydes fire bindinger mellem kulstof og brint (413 kJ/mol hver) og to dobbeltbindinger i iltmolekylerne (498 kJ/mol hver). Der dannes to dobbeltbindinger mellem kulstof og ilt i kuldioxid (799 kJ/mol hver) og fire bindinger mellem ilt og brint i vandet (463 kJ/mol hver).

Resultatet er negativt, fordi systemet afgiver energi. Tabelværdien for metan er \( -890 \text{ kJ/mol} \), fordi vandet dér er flydende og afgiver ekstra energi ved fortætning. Forskellen er ikke en fejl i din regning. Den viser bare, at gennemsnitlige bindingsenergier er et overslag.

Hvorfor er de nye bindinger tilsammen stærkere? Tænk på en bold på toppen af en bakke. Den vil gerne rulle ned, men skal have et lille skub for at komme i gang. Kuldioxid og vand er som bunden af dalen: stabile stoffer, som der er svært at få mere energi ud af. Metan og ilt ligger højere oppe, og derfor kan reaktionen køre af sig selv, når først flammen har givet det første skub. Det skub kaldes aktiveringsenergi.

Endoterme reaktioner er sjældnere i hverdagen, men du kender dem. En kølepose, der bliver kold, når du knækker den, optager energi fra omgivelserne. Det samme gør fotosyntesen, hvor planten optager lysenergi og binder den i glukose.

Brændværdi: hvor meget kemisk energi gemmer et stof?

Én liter benzin kan drive en bil omkring 15 kilometer. Ét kilo tørt brænde holder en lille brændeovn kørende i et par timer. Stoffer rummer åbenbart meget forskellige mængder kemisk energi, og du har brug for et tal, der gør dem sammenlignelige.

Tallet hedder brændværdi. Brændværdien fortæller, hvor meget energi der frigives, når ét kilogram af et stof forbrændes fuldstændigt, og den opgives i megajoule pr. kilogram, MJ/kg. Som Wikipedias artikel om kemisk energi forklarer, bestemmes energien i praksis med et kalorimeter, hvor stoffet brændes af, og varmen måles.

Læg mærke til brint. Et kilo brint rummer næsten tre gange så meget energi som et kilo benzin. Til gengæld fylder brint enormt meget som gas, så brændværdien pr. kilogram fortæller kun halvdelen af historien, når du skal vælge brændstof til en bil.

Du kan måle en brændværdi i skolens laboratorium. Brænd 1,0 gram sprit under en dåse med 200 gram vand, og mål, hvor meget vandet bliver varmere. Stiger temperaturen 30 grader, har vandet optaget omkring \( 200 \cdot 4{,}18 \cdot 30 \approx 25 \) kJ. Det er lidt under de cirka 30 kJ, der er i et gram sprit, fordi en del af varmen forsvinder til luften. Alligevel får du et overraskende godt resultat, og du ser selv, at kemisk energi bliver til termisk energi.

Regnemetoden er heldigvis enkel. Giver ét kilo brænde 15 MJ, giver to kilo dobbelt så meget, altså 30 MJ. Energien vokser i lige forhold til massen, og det kan du skrive som en formel.

Begge grafer er rette linjer fra nul, men hastigheden er forskellig. Linjen for Brænde, 15 MJ/kg stiger langsomt, mens linjen for Benzin, 43 MJ/kg stiger næsten tre gange så stejlt. Punktet ved 2 kg og 30 MJ viser det samme regnestykke som før.

Til sammenligning rummer batteriet i en mobiltelefon omkring 15 Wh, altså cirka 54 kJ. Energien i én liter benzin svarer dermed til omkring 600 telefonopladninger. En benzinmotor udnytter dog kun omkring en fjerdedel af energien til bevægelse, og resten ender som varme.

Kemisk energi i mad og din krop

En teskefuld sukker på cirka 5 gram giver dig omkring 85 kJ. Det lyder af ingenting, men din krop bruger mange tusinde kilojoule i døgnet bare på at holde dig i live. Maden er din brændstoftank, og tallene på emballagen er brændværdier, bare regnet pr. gram i stedet for pr. kilogram.

Kulhydrater og protein indeholder cirka 17 kJ pr. gram, mens fedt rummer cirka 37 kJ pr. gram. Det er derfor, en håndfuld nødder fylder lidt, men mætter meget. Fedtmolekylerne har flere bindinger, der kan give energi, når de oxideres.

Din krop forbrænder ikke maden med en flamme. Det foregår i mange små trin inde i cellerne, især i mitokondrierne, og processen hedder respiration. Respirationsformlen viser, at glukose reagerer med ilt og danner kuldioxid og vand. En del af energien bliver bundet i ATP, cellernes energivaluta, som bruges til muskelbevægelser og nervesignaler. Resten bliver til varme, og det er den, der holder din kropstemperatur på omkring 37 grader.

Glukose har en molarmasse på 180 g/mol. Så 2800 kJ pr. mol svarer til cirka 15,6 kJ pr. gram, hvilket passer fint med de 17 kJ pr. gram, du finder for kulhydrater på en fødevaredeklaration.

Maratonløbere kender det som ”væggen”. Kroppen gemmer kulhydrater som glykogen i muskler og lever, og lageret rummer kun nok til omkring to timers hård løb. Er det tomt, skal kroppen skifte til fedt, som afgiver energi langsommere. Derfor skærer løberne ned i tempo, og derfor spiser de energigeler undervejs. Det er kemisk energi, der løber tør.

Kemisk energi i batterier

Et batteri ligner ikke en brændeovn. Der er ingen flamme, ingen røg, og intet bliver varmt nok til, at du trækker hånden til dig. Alligevel er princippet det samme: Et stof med meget kemisk energi bliver omdannet til stoffer med mindre, og forskellen bliver brugt.

Forskellen er, at reaktionen i et batteri er delt op. Elektronerne flyttes fra det ene stof til det andet gennem en ledning, hvor du kan udnytte dem, i stedet for at hoppe direkte mellem molekyler. Resultatet er elektrisk energi i stedet for varme. Ét stof afgiver elektroner og oxideres, et andet optager dem og reduceres.

I et genopladeligt batteri kan reaktionen køre baglæns. Når du sætter telefonen til opladning, bruger du elektrisk energi til at tvinge stofferne tilbage til det energirige udgangspunkt. Et lithium-ion-batteri rummer typisk 0,5 til 0,9 MJ pr. kilogram, altså næsten 50 til 90 gange mindre end benzin. Det er forklaringen på, at batteripakken i en elbil er så tung. Elmotorer udnytter til gengæld energien langt bedre end benzinmotorer, så forskellen er mindre i praksis.

Batterier er ikke den eneste måde at gemme kemisk energi på. I en brændselscelle reagerer brint med ilt og danner vand, og energien kommer ud som elektrisk energi i stedet for varme. Princippet er det samme som i metanflammen, men uden flammen. Ulempen er, at brint først skal fremstilles, og det kræver energi. Brint er derfor et lager og ikke en energikilde.

Fra kemisk til termisk energi: energiomdannelse

Se på et bål med energiens øjne. Brændets kemiske energi bliver til termisk energi i flammerne, til strålingsenergi i lyset og til kinetisk energi i de hurtige gasmolekyler. Tæller du det hele sammen, er der lige så meget energi bagefter som før.

Det er energibevarelse. Ifølge Lex, Danmarks nationalleksikon er energi altid bevaret, og det er netop det, der gør, at de mange energiformer kan opfattes som udtryk for en fælles egenskab. Kan du sige, hvor energien var før, og hvor den er efter, har du løst opgaven.

Energien forsvinder aldrig undervejs, men en del ender som spildvarme, du ikke kan bruge til noget. Derfor er nyttevirkningen i praksis altid under 100 procent. Det gælder for brændeovnen, for benzinmotoren og for din krop.

En varmepose til lommen er et godt eksempel på en kemisk reaktion, der bliver brugt til netop at lave varme. Jernpulver i posen reagerer langsomt med ilt fra luften og danner rust. Reaktionen er exoterm, og posen bliver varm i flere timer. Den er i bund og grund en meget langsom forbrænding af jern, uden flamme og uden røg.

Fotosyntese: når kemisk energi bliver til

Hvor kommer brændets energi egentlig fra? Fra solen, via et træ. Et træ vokser i halvtreds år og optager kuldioxid og vand. Når du brænder det af, kommer en del af den energi, solen leverede, tilbage. Brændets kemiske energi er altså gammel solenergi.

Omdannelsen sker i fotosyntesen, hvor planten bruger lysenergi til at bygge glukose af kuldioxid og vand. Reaktionen er endoterm og den præcise omvendte af respirationen. Det, planten optager som lys, kan dyr senere hente som kemisk energi i maden.

Kul, olie og naturgas er rester af organismer, der levede for millioner af år siden, og deres kemiske energi stammer også fra solen. Når vi afbrænder dem, kommer den kuldioxid, planterne optog dengang, tilbage i atmosfæren på få årtier. Det er kernen i klimaproblemet, og det er en god grund til at forstå, hvor energien i brændstof kommer fra.

Brændsel fra planter, som træflis, halm og biogas, er også kemisk energi fra solen. Forskellen er tidsrammen. Planterne optog kuldioxiden for få år siden, og de næste planter optager den igen. Derfor kaldes biomasse ofte for et CO2-neutralt brændsel, selvom regnestykket er mere indviklet, når man medregner transport og dyrkning.

Kemisk energi og de andre energiformer

Er kemisk energi overhovedet en selvstændig energiform? I fysik kan den ses som en slags potentiel energi, fordi den afhænger af atomernes placering i forhold til hinanden og af de elektriske kræfter mellem dem. I undervisningen står den alligevel for sig, fordi den er så vigtig i praksis.

Kerneenergi ligger i selve atomkernen, hvor kræfterne er meget stærkere end mellem atomer. Derfor frigiver en kernereaktion langt mere energi pr. kilogram end en kemisk reaktion. Vil du se, hvordan alle energiformerne hænger sammen, finder du flere forklaringer under lektiehjælp i fysik.

Sådan regner du på kemisk energi

Opgaver om kemisk energi ser forskellige ud, men de bruger næsten altid den samme tankegang. Prøv den på en opgave: En kage indeholder 250 g sukker, og sukker har en brændværdi på 17 MJ/kg. Hvor meget kemisk energi svarer det til?

1. 1

   Skriv det, du ved

   Massen er 250 g, og brændværdien er 17 MJ/kg. Du skal finde energien E.

2. 2

   Tjek enhederne

   Brændværdien er pr. kilogram, så 250 g skal omregnes til 0,250 kg.

3. 3

   Vælg formlen

   Bruger du E = m · H, ganger du massen med brændværdien.

4. 4

   Regn og skriv enheden

   E = 0,250 kg · 17 MJ/kg = 4,25 MJ, svarende til 4250 kJ.

5. 5

   Vurder svaret

   4250 kJ er omtrent 1000 kcal. Det er realistisk for en hel kage.

Svaret på 4,25 MJ svarer til cirka halvdelen af, hvad en voksen bruger på en dag. Det passer fint med, at en kage er svær at spise helt alene. Tjekker du altid, om tallet giver mening i virkeligheden, fanger du de fleste regnefejl, før læreren gør.

Kommer du ud for en opgave, hvor du skal sammenligne to brændstoffer, gør du det samme to gange og sætter resultaterne ved siden af hinanden. Tallene afslører, hvilket brændstof der rummer mest energi pr. kilogram. Skal du i stedet sammenligne pr. liter, skal du huske massefylden.

Typiske fejl med kemisk energi

Den mest sejlivede misforståelse er, at bindinger frigiver energi, når de brydes. Den koster mange point i opgaver om reaktionsenergi, og den har tre søskende, som du kan se herunder.