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 che è dovuta allo spostamento della molecola
• rotazionale quando il movimento è rotazionale
• vibrazionale che descrive il moto oscillatorio degli atomi o di gruppi di atomi all’interno di una molecola
• elettronica immagazzinata come energia potenziale nella configurazione di elettroni allo stato eccitato

L’energia molecolare è dovuta a  queste forme di energia che, ad eccezione di quella traslazionale, sono quantizzate.
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.

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.