Էներգիան քիմիական միացություններում

Քիմիայի կոնտեքստում էներգիան նյութի անկապտելի հատկանիշ է, որը հետևանք է ատոմային, մոլեկուլային, կամ ագրեգատային կառուցվածքի: Քանի որ քիմիական վերափոխումներն ուղեկցվում են այդ ստրուկտուրաների փոփոխությամբ, դրանք անխուսափելիորեն բերում են մասնակից նյութերի էներգիաների փոփոխության: Էներգիայի որոշ մասը հաղորդվում է շրջապատին ջերմության կամ լույսի ձևով, արդյունքում ռեակցիայի ելանյութերը կարող են ունենալ ավելի մեծ էներգիա, քան վերջանյութերը:

Ռեակցիան կոչվում է ջերմանջատիչ (էկզոթերմիկ), եթե դրա արդյունքում անջատվում է ջերմություն, ջերմակլանիչ (էնդոթերմիկ) ռեակցիաների դեպքում՝ ընդհակառակը, շրջապատից կլանվում է ջերմության որոշակի քանակ: Առաջին դեպքում վերջանյութերի էներգետիկ արժեքը ցածր է ելանյութերի էներգիայից, իսկ երկրորդ դեպքում՝ բարձր:

Քիմիական ռեակցիան չի ընթանա, եթե ռեակցող նյութերը չեն հաղթահարում էներգետիկ արգելքը, որը հայտնի է որպես ակտիվացման էներգիա: Ըստ Բոլցմանի հայտնի ֆակտորի քիմիական ռեակցիայի արագությունը տվյալ ջերմաստիճանում (Т) կախված է ակտիվացման էներգիայից (Е)՝ {\displaystyle e^{-E/kT}} , դա այն բանի հավանականությունն է, որ մոլեկուլը տվյալ ջերմաստիճանում կարող է ունենալ ակտիվացման E էներգիայից մեծ, կամ հավասար էներգիա: Ռեակցիայի արագության կախվածությունը ջերմաստիճանից արտահայտվում է Արենիուսի հավասարմամբ: Քիմիական ռեակցիայի համար անհրաժեշտ ակտիվացման էներգիան կարող է լինել ջերմության, լույսի, էլեկտրականության, կամ գերձայնային ծագում ունեցող մեխանիկական ուժի ձևով^[27]:

Սրա հետ կապված ազատ էներգիայի հասկացությունը,որն իր մեջ ներառում է նաև էնթրոպիան, հանդիսանում է շատ օգտակար միջոց ռեակցիայի իրագործելիությունը կանխագուշակելու և քիմիական թերմոդինամիկայում քիմիական ռեակցիայի հավասարակշռության վիճակը որոշելու համար: Ռեակցիան հնարավոր է, եթե Գիբսի ազատ էներգիայի ընդհանուր փոփոխությունը բացասական է ({\displaystyle \Delta G\leq 0\,} ), իսկ եթե այն հավասար է զրոյի, ապա քիմիական ռեակցիան գտնվում է հավասարակշռային վիճակում:

Էլեկտրոնների,ատոմների և մոլեկուլների վիճակի հնարավոր էներգիաները սահմանափակ են: Դրանք որոշվում են քվանտային մեխանիկայի կանոններով, ըստ որի տեղի է ունենում կապված համակարգերի էներգիաների քվանտացում: Ասում են, որ բարձր էներգիա ունեցող ատոմներն ու մոլեկուլները գրգռված են: Նյութն ավելի ռեակտիվ է, այսինքն հեշտությամբ է մտնում քիմիական ռեակցիայի մեջ, եթե նրա ատոմները կամ մոլեկուլները գտնվում են գրգռված վիճակում:

Նյութի ագրեգատային վիճակը անշեղորեն որոշվում է նրա էներգիայով և նրան շրջապատող միջավայրի էներգիայով: Եթե նյութի միջմոլեկուլային ուժերն այնպիսին են, որ շրջապատող միջավայրի էներգիան բավարար չէ դրանք հաղթահարելու համար, ապա նյութը կգտնվի պինդ, կամ հեղուկ վիճակներում, ինչպես ջրի (H₂O) դեպքում է: Ջուրը սենյակային ջերմաստիճանում հեղուկ է, որովհետև մրա մոլեկուլները կապված են ջրածնային կապերով^[28]: Իսկ ծծմբաջրածինը (H₂S) սենյակային ջերմաստիճանում և նորմալ ճնշման տակ իրենից ներկայացնում է գազային նյութ, քանի որ նրա մոլեկուլները միմյանց հետ կապված են ավելի թույլ՝ դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցության ուժերով:

Մեկ քիմիական նյութից մյուսին էներգիայի փոխանցումը կախված է քվանտային էներգիայի այն չափից, որն արձակում է մի նյութը: Ջերմային էներգիան հաճախ ավելի հեշտությամբ է փոխանցվում գործնականում ցանկացած նյութից այլ նյութի, քանի որ ֆոնոնները, որոնք պատասխանատու են էներգիայի տատանողական և պտտական մակարդակներում, ունեն շատ ավելի փոքր էներգիա, քան ֆոտոնները, որոնք հարուցում են էլեկտրոնների անցումը: Այսպիսով, քանի որ տատանման և պտտական մակարդակներն իրար ավելի մոտ են դասավորված քան էլեկտրոնների էներգետիկ մակարդակները, ջերմությունն ավելի հեշտությամբ է փոխանցվում նյութերի միջև, քան լուսային, կամ էլեկտրոնային էներգիայի այլ տեսակները: Օրինակ՝ ուլտրամանուշակագույն էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը այդքան էֆեկտիվ չի փոխանցվում մեկ նյութից մյուսը, ինչքան ջերմային, կամ էլեկտրական էներգիան:

Տարբեր նյութերի բնութագրական էներգետիկ մակարդակների գոյությունը օգտակար է այդ նյութերը նույնականացնելու համար սպեկտրալ գծերի անալիզի եղանակով: Սպեկտրների տարբեր տեսակներ հաճախ օգտագործվում են քիմիական սպեկտրոսկոպիայում, օրինակ՝ ինֆրակարմիր, գերձայնային, միջուկային մագնիսական ռեզոնանս և այլն: Սպեկտրոսկոպիան օգտագործվում է նաև հեռահար օբյեկտների բաղադրությունը, ինչպիսիք են աստղերը և այլ գալակտիկաները: