Energia chimica

Tutte le molecole a qualunque temperatura maggiore dello zero assoluto sono dotate di energia termica dovuta all’energia cinetica associata ai vari moti  e le molecole poliatomiche hanno energia potenziale sotto forma di legami chimici.

Le molecole quindi costituiscono dei sistemi per immagazzinare e trasformare energia da una forma all’altra in quanto la formazione, la rottura o il riarrangiamento dei legami chimici è accompagnata da assorbimento o rilascio di calore.

Le sostanze chimiche sono costituite da atomi i quali, a loro volta, sono costituiti da nuclei aventi carica positiva circondati da elettroni aventi carica negativa.

Nel caso di una molecola biatomica come H2  è presente un legame covalente dovuto alla condivisione degli elettroni; l’energia potenziale totale della molecola è data dalla somma delle repulsioni tra cariche uguali ( nucleo-nucleo, elettrone-elettrone) e dall’attrazione tra cariche opposte (nucleo-elettrone):
Ep totale  = Ep(e-e) + Ep(n-n) + Ep(n-e)

In altre parole, l’energia potenziale di una molecola dipende dalle posizioni relative medie nel tempo dei suoi costituenti nuclei ed elettroni e questa dipendenza può essere espressa dalla curva in cui viene riportata l’energia potenziale in funzione della distanza:

energia potenziale

Nell’idrogeno gassoso, ad esempio, le molecole saranno muoversi liberamente da un luogo ad un altro e quindi le molecole possiedono energia cinetica traslazionale KEtran = mv2 / 2, in cui v indica la velocità media delle molecole che a sua volta dipende dalla temperatura.

Le molecole hanno inoltre altri tipi di moto infatti poiché il legame chimico agisce come una specie di molla i due atomi di idrogeno hanno una frequenza vibrazionale; in molecole poliatomiche vi sono molti modi di vibrazione che danno il contributo KEvibr  all’energia cinetica totale. Inoltre le molecole possono dare moti rotazionali che danno, all’energia cinetica totale un ulteriore contributo KErot.

L’energia cinetica totale è quindi data dalla somma di questi contributi:
KEtot = KEtran + KEvibr  + KErot.

L’energia totale della moleola ovvero la sua energia interna denotata con U è data dalla somma dell’energia potenziale totale e dell’energia cinetica totale:
U = Ep totale  + KEtot

Da cui:
U = Ep(e-e) + Ep(n-n) + Ep(n-e) + KEtran + KEvibr  + KErot.

Tuttavia la natura caotica e imprevedibile del moto molecolare non consente l’utilizzo della formula ma il comportamento di una molecola può essere descritto con metodi statistici.

Le reazioni chimiche possono avvenire con emissione di energia (reazioni esotermiche) o con assorbimento di energia (reazioni endotermiche) : quando una reazione è esotermica l’energia potenziale viene convertita in energia cinetica mentre quando una reazione è endotermica l’energia cinetica è convertita in energia potenziale.

L’energia chimica è il potenziale di una sostanza chimica a dar luogo a trasformazioni tramite una reazione chimica o a trasformare altre sostanze.  La variazione di energia interna di un processo è uguale al calore erogato o assorbito  se è misurato a volume costante, in un contenitore quale una bomba calorimetrica.

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Author: Chimicamo

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