5.8 Élelmiszerek és üzemanyagok

A hőtermeléshez használt kémiai reakciók többsége égési reakció. 1 g anyag elégetésekor felszabaduló energiát gyakran üzemanyag-értékének nevezik. Mivel az üzemanyagértékek az égés során felszabaduló hőt képviselik, az üzemanyagértékek pozitív számok. Bármely étel vagy üzemanyag üzemanyag-értéke kalorimetriával mérhető.

élelmiszerek

A testünknek szükséges legtöbb energia szénhidrátokból és zsírokból származik. A szénhidrátok a belekben bomlanak glükózzá, C 6 H 12 O 6 -vá. A glükóz oldódik a vérben, és az emberi testben vércukor néven ismert. A vér a sejtekbe szállítja, ahol az O 2-vel több lépésben reagál, végül CO 2 (g), H 2 O (l) és energiát termel:

A szénhidrátok lebomlása gyors, ezért energiájukat gyorsan ellátják a szervezetben. A szervezet azonban csak nagyon kis mennyiségű szénhidrátot tárol. A szénhidrátok átlagos üzemanyag-értéke 17 kJ/g (4 kcal/g).

A szénhidrátokhoz hasonlóan a zsírok CO 2 -ot és H 2 O-t termelnek az anyagcseréjükben és a bombakaloriméterben történő égés során. A trisztearin, a tipikus zsír, C 57 H 110 O 6 reakciója a következő:

A test az élelmiszerekből származó kémiai energiát különböző célokra használja fel: a testhőmérséklet fenntartására, az izmok mozgatására, valamint a szövetek felépítésére és helyreállítására. A felesleges energiát zsírként tárolják. A zsírok legalább két okból jól alkalmazhatók a test energiatartalékaként: (1) oldhatatlanok a vízben, ami lehetővé teszi a testben való tárolást; és (2) több energiát termelnek grammonként, mint akár a fehérjék, akár a szénhidrátok, ami tömegesen hatékony energiaforrássá teszi őket. A zsírok átlagos üzemanyag-értéke 38 kJ/g (9 kcal/g).

A fehérjék esetében az anyagcsere a testben kevesebb energiát termel, mint a kaloriméterben történő égés, mert a termékek különbözőek. A fehérjék nitrogént tartalmaznak, amely a bomba kaloriméterében N 2 -ként szabadul fel. A szervezetben ez a nitrogén főként karbamidként ((NH 2) 2 CO) fejeződik be. A fehérjéket a szervezet elsősorban építőanyagként használja a szervfalakhoz, a bőrhöz, a hajhoz, az izomhoz stb. A fehérjék metabolizmusa átlagosan 17 kJ/g (4 kcal/g) termel, ugyanolyan, mint a szénhidrátoké.

A különféle közönséges élelmiszerek üzemanyag-értékeit az 5.4. Táblázat mutatja. A csomagolt élelmiszerek címkéi feltüntetik az átlagos adag szénhidrát-, zsír- és fehérjemennyiségét, valamint az adag energiaértékét (5.21. Ábra). A testünk által igényelt energia mennyisége jelentősen változik az olyan tényezőktől függően, mint a súly, az életkor és az izomaktivitás. Körülbelül napi 100 kJ testtömeg-kilogrammonként szükséges a test működésének minimális szinten tartása. Egy átlagos 70 kg-os (154 lb.) Ember körülbelül 800 kJ/órát költ, ha könnyű munkát végez, például lassú gyaloglás vagy könnyű kertészkedés során. A megerőltető tevékenység, például a futás, gyakran 2000 kJ/órát vagy annál többet igényel. Amikor ételeink energiatartalma meghaladja a ráfordított energiát, testünk zsírként tárolja a felesleget.

MINTAGYAKORLAT 5.11

(a) Egy 28 g (1 oz) adag népszerű reggeli gabonapelyhet 120 ml sovány tejjel tálalva 8 g fehérjét, 26 g szénhidrátot és 2 g zsírt ad. Az ilyen típusú anyagok átlagos üzemanyag-értékeinek felhasználásával becsülje meg az étel energiáját ebben a adagban. b) Az átlagos testsúlyú személy futás vagy kocogás közben körülbelül 100 Cal/mi-t használ. Hány adag ebből a gabonaféléből biztosítja az üzemanyagérték-követelményeket a 3 mérföld futásához?

MEGOLDÁS (a) Megkapjuk a fehérje, a szénhidrátok és a zsír tömegét a gabonafélék adagolásakor. Az 5.4. Táblázat adatait felhasználva átalakíthatjuk ezeket a tömegeket üzemanyag-értékeikre, amelyeket összegezve megkapjuk a teljes élelmiszer-energiát:

Ez 160 kcal-nak felel meg:

Emlékezzünk arra, hogy az étrendi kalória 1 kcal-nak felel meg. Így az adagolás 160 kal.

(b) A problémamegállapítás konverziós tényezőt ad a kalóriák és mérföldek között. Az a) részre adott válasz átváltási tényezőt ad számunkra az adagok és a kalóriák között. Ezeket a tényezőket használhatjuk az egyszerű dimenzióelemzésben, hogy meghatározzuk a szükséges adagok számát a legközelebbi egész számra kerekítve:

GYAKORLATI GYAKORLAT

a) A száraz vörös bab 62% szénhidrátot, 22% fehérjét és 1,5% zsírt tartalmaz. Becsülje meg ezeknek a baboknak az üzemanyag-értékét. (b) Nagyon könnyű tevékenység, például olvasás vagy tévénézés, kb. 7 kJ/perc. Hány percig tarthat ilyen aktivitást az az energia, amelyet egy 13 g fehérjét, 15 g szénhidrátot és 5 g zsírt tartalmazó csirkés tészta leves ad? Válaszok: (a) 15 kJ/g; (b) 95 perc.

Üzemanyagok

Több általános üzemanyag elemi összetételét és üzemanyag-értékeit hasonlítják össze az 5.5. Táblázat. Az üzemanyagok teljes elégetése során a szén átalakul CO 2 -vá, a hidrogén pedig H 2 O -vá, mindkettőnek nagy negatív entalpiája van. Következésképpen, minél nagyobb a szén és a hidrogén százalékos aránya az üzemanyagban, annál magasabb az üzemanyag értéke. Hasonlítsa össze például a bitumenes szén és a fa összetételét és tüzelőanyag-értékeit. A szénnek magasabb az üzemanyag-értéke a nagyobb széntartalma miatt.

1997-ben az Egyesült Államok 9,89 10 16 kJ energiát fogyasztott; vagyis közel 100 kvadrillió kJ. Ez az érték egy személyre jutó átlagos napi energiafogyasztás 1,0 10 6 kJ-nak felel meg, ami nagyjából százszor nagyobb, mint az egy főre eső élelmiszer-energiaigény. Nagyon energiaigényes társadalom vagyunk. Az 5.22. Ábra szemlélteti ennek az energiafogyasztásnak a forrásait.

5.22. Ábra Az Egyesült Államokban felhasznált energiaforrások. 1997-ben az Egyesült Államok összesen 9,9 10 16 kJ energiát fogyasztott.

A szén, a kőolaj és a földgáz, amelyek fő energiaforrásaink, fosszilis tüzelőanyagok. Mindegyik évmilliók alatt alakult ki a növények és állatok bomlásából, és sokkal gyorsabban kimerül, mint ahogy kialakul. A földgáz gáznemű szénhidrogénekből, hidrogén- és szénvegyületekből áll. Elsősorban metánt, CH 4-et tartalmaz, kis mennyiségben etánt, C 2 H 6-ot, propánt, C 3 H 8-t és butánt (C 4 H 10) tartalmaz. A propán üzemanyag-értékét az 5.9. Mintagyakorlatban határoztuk meg. A kőolaj több száz vegyületből álló folyadék. Ezen vegyületek többsége szénhidrogén, a fennmaradó rész főleg szerves vegyületek, amelyek ként, nitrogént vagy oxigént tartalmaznak. A szilárd szén nagy molekulatömegű szénhidrogéneket, valamint ként, oxigént vagy nitrogént tartalmazó vegyületeket tartalmaz. A kőolajban és a szénben lévő kén a levegőszennyezés fő forrása, amint azt a 18. fejezetben tárgyaljuk.

A szén a leggyakoribb fosszilis üzemanyag; ez az Egyesült Államok és a világ fosszilis tüzelőanyag-tartalékának 80 százalékát teszi ki. A szén felhasználása azonban számos problémát vet fel. A szén összetett anyagkeverék, és olyan alkatrészeket tartalmaz, amelyek levegőszennyezést okoznak. Mivel szilárd, föld alatti lerakódásaiból való kilábalás drága és gyakran veszélyes. Ezenkívül a szénlelőhelyek nem mindig állnak közel a magas energiafelhasználású helyekhez, ezért gyakran jelentős szállítási költségek merülnek fel.

Szénkészleteink hasznosításának egyik ígéretes módja az, ha felhasználjuk szinagáznak nevezett gáz halmazállapotú szénhidrogének keverékének előállítására ("szintézisgáznak"). Ebben az eljárásban, amelyet széngázosításnak neveznek, a szenet általában porítják és túlhevített gőzzel kezelik. A kéntartalmú vegyületek, a víz és a szén-dioxid eltávolítható a termékekből, CH 4, H 2 és CO gázok keverékéhez vezetve, amelyek mindegyikének magas az üzemanyag-értéke:

Mivel a gáz halmazállapotú, a csővezetékekben könnyen szállítható. Ezen túlmenően, mivel a szénben lévő kén nagy része a gázosítási folyamat során eltávolul, a szinagáz elégetése kevesebb levegőszennyezést okoz, mint a szén elégetése. Ezen okokból kifolyólag a szén és a kőolaj gazdaságosabb átalakítása „tisztább” üzemanyagokká, például szinagázzá és hidrogéngé (lásd a következő „Kémia a munkahelyen” mezőt) a kémia és a mérnöki tudomány jelenlegi kutatásának nagyon aktív területe.

Egyéb energiaforrások

Az atomenergia olyan energia, amely az atomok hasadásakor vagy összeolvadásakor szabadul fel. A nukleáris energiát jelenleg az Egyesült Államokban a villamos energia mintegy 22% -ának előállítására használják, és az Egyesült Államok teljes energiatermelésének körülbelül 7% -át teszi ki (5.22. Ábra). Az atomenergia elvileg mentes a szennyező kibocsátásoktól, amelyek a fosszilis tüzelőanyagokból történő energiatermelés során nagy problémát jelentenek. Az atomerőművek azonban radioaktív hulladékokat állítanak elő, ezért használatuk ellentmondásos. Az atomenergia előállításával kapcsolatos kérdéseket a 21. fejezetben tárgyaljuk.

A fosszilis tüzelőanyagok és az atomenergia nem megújuló energiaforrások; a felhasznált tüzelőanyagok korlátozott erőforrások, amelyeket sokkal nagyobb mértékben fogyasztunk, mint amilyeneket regenerálunk. Végül ezeket az üzemanyagokat el fogják költeni, bár a becslések nagyban eltérnek attól, hogy ez mikor következik be. Mivel a megújíthatatlan energiaforrások végül felhasználásra kerülnek, rengeteg kutatást végeznek a megújuló energiaforrásokról, amelyek lényegében kimeríthetetlenek. A megújuló energiaforrások közé tartozik a Napból származó napenergia, a szélmalmok által felhasznált szélenergia, a Föld tömegében tárolt hő geotermikus energiája, az áramló folyók hidroelektromos energiája, valamint a növényekből, például fákból és kukoricából, valamint biológiai hulladékokból származó biomassza energia. Jelenleg a megújuló energiaforrások adják az Egyesült Államok éves energiafogyasztásának körülbelül 7,6 százalékát, a vízerőművek (4,2 százalék) és a biomassza (2,9 százalék) az egyedüli jelentős hozzájárulók.

A jövőbeli energiaigényünk biztosítása minden bizonnyal a napenergia nagyobb hatékonyságú hasznosítására szolgáló technológia fejlesztésétől függ. A napenergia a világ legnagyobb energiaforrása. Egy tiszta napon másodpercenként körülbelül 1 kJ napenergia éri el a Föld felszínének minden négyzetméterét. Az Egyesült Államok szárazföldi területének csupán 0,1 százalékára eső napenergia egyenértékű azzal az energiával, amelyet ez a nemzet jelenleg használ. Ezt az energiát hasznosítani nehéz, mert híg (széles területen oszlik el), és ingadozik az időtől és az időjárási viszonyoktól. A napenergia hatékony felhasználása az összegyűjtött energia későbbi felhasználásra történő tárolásának bizonyos eszközeinek kifejlesztésétől függ. Ennek megvalósításához bármilyen gyakorlati eszköz szinte biztosan magában foglalja egy endoterm kémiai eljárás alkalmazását, amelyet később meg lehet fordítani hőelvezetés céljából. Az egyik ilyen reakció a következő:

Ez a reakció magas hőmérsékleten halad előre, amelyet napkályhában lehet elérni. A reakcióban képződött CO és H2 ezután tárolható és később reagálni tudott, a felszabadult hő hasznos munkára fordítva.

A napenergiát közvetlenül villamos energiává alakíthatják fotovoltaikus eszközök, néha napelemek néven. Az ilyen eszközök használatával a napenergia-átalakítás hatékonysága az elmúlt években intenzív kutatási eredmények eredményeként drámaian megnőtt. A fotovoltaikus elemek létfontosságúak a műholdak energiatermeléséhez. A hasznos energia nagy mennyiségű előállításához a Föld felszínén azonban még nem praktikusak a magas egységköltség miatt. Még akkor is, ha a költségek csökkennek, meg kell találni néhány eszközt a napelemek által termelt energia tárolására, mert a nap csak szakaszosan süt, és csak a nap egy részében, bárhol. Ismételten a probléma megoldása szinte biztosan az lesz, hogy az energiát felhasználva kémiai reakció megy végbe abban az irányban, amelyben az endoterm.

5. MINTA INTEGRATÍV GYAKORLAT: Fogalmak együttes összeállítása

Amikor egy főzőpohárban összekeverünk 75,0 ml 0,100 M Na 2SO 4 (vizes) és 25,0 ml 0,200 M AgNO 3 (vizes) oldatot, fehér csapadék képződik. Tegyük fel, hogy mindkét oldat kezdetben 25 ° C-on van, és az oldat végső térfogata 100,0 ml. a) Mi a nettó ionegyenlete a bekövetkező reakciónak? (b) Mi a korlátozó reagens ebben a reakcióban? (c) Mennyi a képződött csapadék elméleti hozama grammban? (d) Tekintettel arra, hogy Ag 2 SO 4 (ek) értéke -715,2 kJ/mol, számítsa ki a reakció során elnyelt vagy felszabadult hő mennyiségét. e) Az oldat hőmérséklete növekszik vagy csökken, ahogy a reakció bekövetkezik? Magyarázza el.

MEGOLDÁS (a) A Na 2SO 4 és az AgNO 3 egyaránt erős elektrolitok. Mivel a Na + és az NO 3 - ionok sói mindig oldódnak, a csapadéknak az Ag + és SO 4 2– reakciójával képződött sónak kell lennie, amelynek az ionok töltése alapján Ag 2 SO 4-nek kell lennie. . A nettó ionegyenlet tehát:

(b) A korlátozó reagens meghatározásához először kiszámítjuk az összekevert oldatok Ag + és SO 4 2 moljainak számát. Emlékezzünk arra, hogy a mólok száma megegyezik az oldat térfogatának és a molaritásának a szorzatával. Mivel az AgNO 3 és a Na 2 SO 4 erős elektrolit, az Ag + és a SO 4 2– koncentrációja megegyezik a kiindulási oldatok molaritásával:

A nettó ionegyenlet azt mondja, hogy kétszer annyi mol Ag + -t fogyasztunk, mint SO 4 2–. Így csak 2,50 10–3 mol SO 4 2-re van szükség ahhoz, hogy teljes mértékben reagáljon 5,00 10–3 mol Ag + -val. Arra a következtetésre jutunk, hogy az Ag + a korlátozó reagens. (c) A nettó ionegyenletből azt látjuk, hogy 2 mol Ag + 1 mol Ag 2 SO 4. A (b) részben láttuk, hogy ebben a reakcióban 5,00 10–3 mol Ag + fogy, így 2,50 10–3 mol Ag 2 SO 4 -et kell előállítani. Az anyajegyeket grammokra konvertáljuk az Ag 2 SO 4 képlet szerinti tömegének felhasználásával:

Ez az érték az ag 2SO 4 elméleti hozama ehhez a reakcióhoz. (d) A kialakulási entalpiákat fogjuk használni a nettó ionreakció entalpia-változásának kiszámításához (5.29. egyenlet). Az Ag 2 SO 4 (s) értékét a feladat, Ag + (aq) és SO 4 2– (aq) értékét pedig a tankönyv C. függeléke tartalmazza.

Ne feledje, hogy a termokémiai reakciókban feltételezzük, hogy az együtthatók megfelelnek a reagensek és a termékek moljának. Mivel az 5.29 egyenletben szereplő Ag 2 SO 4 együttható egy, a számított értékünk H = -17,7 kJ/mól előállított Ag 2 SO 4-nek felel meg. A (c) részben láttuk, hogy 2,50 10–3 mol Ag 2 SO 4-t termelünk. Tehát az ebben a reakcióban alkalmazott mennyiségek H értéke H = (2,50 10–3 mol Ag2S04) (- 17,7 kJ/mol Ag2S04) = -4,43 10–2 kJ. e) A reakció exoterm (H