Energia molecolare: potenziale, cinetica

L’energia molecolare è quella che può essere immagazzinata da una molecola come  potenziale o cinetica in una varietà di modi tra cui energia:

-translazionale associata al movimento dell’intera molecola lungo uno spazio tridimensionale. È una forma di energia cinetica classica e, a differenza delle altre forme, non è quantizzata: può assumere qualsiasi valore in un intervallo continuo.

-rotazionale relativa alla rotazione della molecola attorno ai propri assi. Nei gas, in particolare, le molecole poliatomiche possiedono più momenti di inerzia e possono ruotare in modi differenti. Questa energia è quantizzata, ovvero può assumere solo determinati valori discreti.

-vibrazionale  dovuta all’oscillazione periodica degli atomi attorno alle loro posizioni di equilibrio all’interno della molecola. Le vibrazioni molecolari sono anch’esse quantizzate e svolgono un ruolo fondamentale nella spettroscopia infrarossa.

-elettronica legata alla disposizione e allo stato energetico degli elettroni nella molecola. Quando una molecola assorbe energia, uno o più elettroni possono essere eccitati a livelli energetici superiori. Anche questa forma è quantizzata e descritta in termini di orbitali molecolari.

L’energia molecolare è dovuta a  queste forme di energia. L’analisi dell’energia molecolare ha implicazioni fondamentali in molti ambiti, dalla termodinamica chimica alla chimica computazionale, dalla biochimica fino alla progettazione di nuovi materiali.

Tutte queste forme di energia, eccetto quella traslazionale, sono soggette alle leggi della meccanica quantistica. La quantizzazione dell’energia fu introdotta all’inizio del XX secolo per spiegare fenomeni che la fisica classica non riusciva a interpretare, come lo spettro del corpo nero e l’effetto fotoelettrico. In particolare, lo sviluppo della meccanica quantistica da parte di scienziati come Max Planck, Niels Bohr, Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg fornì la base teorica per comprendere l’energia molecolare in termini di livelli discreti.

Nelle molecole vi sono atomi costituiti da nuclei aventi carica positiva circondati da elettroni carichi negativamente. Ad esempio nella molecola di idrogeno H₂ è presente un legame covalente puro in cui gli elettroni sono condivisi tra i due nuclei.

Forme di energia molecolare

Energia potenziale

È data dalla somma delle repulsioni tra cariche dello stesso segno e attrazione tra cariche di segno opposto. Essa è data dalla somma di tali contributi:

Energia Potenziale totale = EP_{elettrone-elettrone}+ EP_{nucleo-nucleo} + EP_{nucleo-elettrone}

Dipende quindi dalla posizione relativa nel tempo dei nuclei costituenti e degli elettroni come si può vedere dalla curva:

Energia cinetica

Le molecole di idrogeno inoltre, a seconda della temperatura, si muovono da una posizione all’altra e hanno quindi una energia cinetica traslazionale E_{cin trans}= mv²/2 essendo v la velocità media delle molecole.

Oltre a quella potenziale e cinetica le molecole sono dotate di energia vibrazionale E_vibr in quanto facendo sempre riferimento alla molecola di H₂ il legame agisce come una sorta di molla. Per molecole più complesse vi sono molti possibili moti vibrazionali che contribuiscono a quella cinetica totale.

Le molecole sono inoltre sottoposte a movimenti rotazionali che danno luogo a un ulteriore contributo per la determinazione dell’energia cinetica che è data dalla somma di tutti i contributi:
E_{cin tot} = E_{cin trans} + E_vibr + E_rot

L’energia totale di una molecola detta  interna U è data dalla somma di quella potenziale e cinetica:

U = EP_{elettrone-elettrone}+ EP_{nucleo-nucleo} + EP_{nucleo-elettrone} + E_{cin trans} + E_vibr + E_rot

Questa formula non consente, tuttavia, di poter prevedere il comportamento di una molecola e tantomeno di un gran numero di esse a causa del movimento caotico e imprevedibile del movimento che esse hanno.

Il comportamento di un gran numero di molecole è pertanto descritto con metodi statistici.

Energia molecolare nelle reazioni chimiche

L’energia molecolare gioca un ruolo cruciale nel determinare la reattività chimica e la direzione delle reazioni. Ogni reazione chimica comporta una trasformazione delle specie reagenti in prodotti attraverso la rottura e la formazione di legami. Questo processo è governato dalle variazioni di energia interna delle molecole coinvolte.

Affinché una reazione abbia luogo, è necessario superare una barriera energetica, nota come energia di attivazione. Questa energia serve a portare le molecole in uno stato altamente instabile e transitorio, detto stato di transizione, in cui i legami esistenti si indeboliscono e si formano nuovi legami. Le componenti vibrazionali e rotazionali dell’energia molecolare influenzano in modo significativo la capacità delle molecole di raggiungere questa configurazione critica.

Inoltre, la distribuzione dell’energia molecolare tra le diverse modalità (traslazionale, vibrazionale, ecc.) influenza il numero di urti efficaci tra le molecole, ovvero quelli che portano realmente a una trasformazione chimica. Questo aspetto è particolarmente importante nella teoria cinetica dei gas e nella teoria dello stato di transizione, che descrive come e con quale probabilità avvengano le reazioni.

La differenza tra l’energia molecolare totale dei prodotti e quella dei reagenti determina la entalpia di reazione (ΔH), un parametro termodinamico fondamentale. Una reazione esoergonica (con rilascio netto di energia) tende a essere spontanea, mentre una reazione endoergonica (che richiede energia) avviene solo se viene fornita energia dall’esterno.