Supponiamo che io prenda del gas idrogeno (H2) e lo mescoli con il gas ossigeno (O2). Cosa succede? Niente. Non succede niente a meno che non si aggiunga un po’ di energia, magari da una scintilla. Aggiungiamo energia e BOOM: si ha un’esplosione, e l’idrogeno e l’ossigeno (una parte) diventano acqua (H2O). Chiaramente questa reazione rilascia energia, ma da dove viene l’energia?
Ecco una risposta sorprendentemente comune:
“L’energia è immagazzinata nei legami chimici. Come nota Derek Muller (di Veritasium), questa idea dell’energia immagazzinata nei legami chimici è molto sbagliata. Per capire meglio l’energia nei legami chimici, consideriamo un modello semplificato.
Modello di legame atomico
Quando un atomo di idrogeno interagisce con un altro idrogeno per formare idrogeno molecolare (H2), accadono molte cose. Tuttavia, una delle interazioni fondamentali è dovuta alla forza elettrostatica tra protoni ed elettroni. Sì, ci sono anche effetti quantistici, ma permettetemi di attenermi ad un modello semplice. In questo modello, ho due atomi di idrogeno che sperimentano un qualche tipo di forza elettrica che li attrae. Quando sono molto vicini, c’è un’altra forza che respinge i due atomi. Per mantenere la calma, aggiungo una forza di trascinamento. Ecco come appare quando questi due atomi interagiscono.
Cosa dovreste notare?
- C’è una forza attrattiva tra i due atomi.
- Man mano che si avvicinano, i due atomi aumentano di energia cinetica.
- C’è qualcosa che impedisce ai due atomi di scontrarsi.
- Gli atomi non continuano ad oscillare perché perdono energia (sarebbe come riscaldare l’ambiente circostante).
- Gli atomi di idrogeno sono gialli (ma questo dovresti già saperlo).
Se volete pensare a questo sistema in termini di energia, potrebbe essere utile guardare uno schizzo dell’energia potenziale per questi due atomi di idrogeno. Sarebbe più o meno così (solo uno schizzo).
Possiamo immaginare che gli atomi di idrogeno siano come una palla che rotola su una collina a forma di curva potenziale. Si può vedere che aumenterebbe la sua velocità mentre scende la collina, per poi rallentare e tornare indietro mentre risale la “collina”. Ma ecco il punto importante: se la palla fosse in fondo alla curva, bisognerebbe aggiungere energia per spostarla su per la collina. Dovresti aggiungere energia per rompere questo legame chimico.
Da dove viene l’energia?
Torniamo all’esempio di idrogeno e ossigeno. Se si avvia questa reazione, si ottiene effettivamente molta energia. Ma questa energia non proviene dal legame idrogeno-idrogeno, né dal legame ossigeno-ossigeno. L’energia proviene dalla formazione dei legami idrogeno-ossigeno nell’acqua. Forse un altro schizzo dell’energia potrebbe aiutare. Supponiamo che io rappresenti l’energia dei gas e dell’acqua con quanto segue:
Spostare quella palla nella parte inferiore della curva (la parte dell’acqua) richiede un po’ di energia, ma se ne recupera molta. Ma non c’è ancora energia immagazzinata nei legami dell’acqua. Invece si ottiene energia formando il legame.
Un altro modello molecolare
La confusione sull’energia nei legami chimici è parte del motivo per cui Derek Muller sta lavorando a un nuovo modello molecolare: gli Snatoms.
Probabilmente ricorderete quei modelli molecolari a palla e a bastone del college o del liceo. Gli Snatoms sono simili, ma invece di usare i bastoncini usano i magneti. Ci sono due vantaggi delle connessioni magnetiche. Primo, sono più veloci da assemblare poiché gli atomi scattano insieme. Secondo (e più importante), gli studenti possono sentire che c’è una forza che tira gli atomi insieme. Possono anche sentire la forza necessaria per separarli. Questo aiuterà a costruire l’idea che ci vuole energia per rompere i legami.
Naturalmente gli Snatoms sono ancora solo un modello. Non rappresentano completamente tutto ciò che riguarda le molecole, ma almeno dovrebbero aiutare con la questione dell’energia-legame.