Nella vignetta di oggi, Acqua si prepara alla prova costume facendo esercizi sotto la guida di Energia, un personal trainer davvero tremendo!
Quando rappresentiamo una molecola la disegniamo ferma immobile, ma la realtà è ben diversa: le molecole sono in continuo movimento, non solo perché si spostano nello spazio da una parte all’altra, ma anche perché vibrano. In prima approssimazione, il legame chimico assomiglia più a una molla che a un bastone rigido: gli atomi sono capaci di oscillare attorno a una posizione di equilibrio, un po’ come quelle testoline oscillanti che si mettono sui cruscotti delle automobili.
I movimenti che le molecole possono effettuare sono di tre tipi principali: traslazioni, rotazioni e vibrazioni. Nella traslazione la molecola semplicemente si sposta da una parte all’altra. Se prendete un libro, lo appoggiate sul tavolo e lo trascinate lungo il tavolo, state eseguendo una traslazione. Poi abbiamo le rotazioni, nelle quali la molecola gira su sé stessa, e le vibrazioni. Nelle traslazioni e nelle rotazioni l’aspetto della molecola non cambia, mentre nelle vibrazioni cambiano angoli e lunghezze di legame.
Facciamo un esempio. La geometria dell’acqua è angolare: c’è un ossigeno in mezzo a due idrogeni, che formano con l’ossigeno un angolo di circa 104°, mentre ogni legame è lungo 0.9584 Å (Ångström, 1 Å =10−10 metri). Questi sono valori medi, ma nella realtà questi legami si allungano e si accorciano e anche l’angolo formato può cambiare. Alcuni esempi di queste oscillazioni sono rappresentate nelle animazioni seguenti (fonte Wikipedia):
Queste vibrazioni non si fermano mai, ma a seconda della temperatura possono avvenire più o meno frequentemente, alcune fino a scomparire. Quando la temperatura è più bassa, l’energia delle molecole diminuisce. Esiste una temperatura, chiamata zero assoluto e pari a -273.15 °C, alla quale le molecole non hanno più energia rotazionale e traslazionale. Questa temperatura limite non è mai raggiungibile nella realtà, ma è solo un limite teorico. I fisici sono riusciti a raggiungere temperature estremamente vicine allo zero assoluto, ma anche in quelle condizioni le molecole non smettono di tenersi in movimento! Anche allo zero assoluto esiste infatti una energia minima, quella che si chiama zero point energy – energia di punto zero – e le molecole quindi continuano a vibrare lo stesso. La cosa interessante è che questa energia vibrazionale rimane praticamente invariata fino a temperatura ambiente!
Chi di voi ha delle basi di meccanica quantistica (chi non le ha può guardare la mia introduzione alla meccanica quantistica) saprà infatti che l’energia è quantizzata. In pratica questo vuol dire che non aumenta o diminuisce gradualmente, ma ci sono dei livelli energetici ben definiti e discreti. In pratica, o la molecola vibra con una energia E1 o vibra con una energia E2, ma tra E1 ed E2 non ci sono stati intermedi. Nel caso dell’energia vibrazionale la differenza di energia è tale che a temperatura ambiente la assoluta maggioranza delle molecole si trovano ancora nello stato vibrazionale fondamentale, cioè quello più basso possibile!
Lo studio di queste vibrazioni non è però solo una curiosità teorica, ma è il fondamento di una tecnicaanalitica molto potente, la spettroscopia nella regione dell’infrarosso (comunemente detta Spettroscopia IR). Questa tecnica permette di determinare la struttura di una molecola sconosciuta studiandone i modi vibrazionali. In questo caso l’energia per le vibrazioni viene fornita alle molecole tramite la luce, invece che come energia termica. Quando la luce interagisce con le molecole viene assorbita solamente se la sua energia è pari alla differenza di energia tra i due livelli energetici di cui avevamo parlato nel paragrafo precedente.
Dall’energia della luce infrarossa che viene assorbita è possibile ricavare l’energia necessaria permettere questi movimenti, e questa energia è specifica per ogni diverso tipo di legame chimico. Misurando quindi lo spettro infrarosso del campione (cioè determinando quali frequenze vengono assorbite e quali no) è quindi possibile capire che tipi di legami sono presenti. Una tecnica portentosa che ha un utilizzo esteso non solo in chimica, ma anche nei beni culturali o astronomia (per determinare ad esempio la composizione chimica delle nubi interstellari o dell’atmosfera dei pianeti, come è successo per la scoperta di una atmosfera primordiale contenente acqua su HAT-P-26b).
p.s. Entropy never loses, “l’entropia non perde mai”, si riferisce al secondo principio della termodinamica, che dice che l’entropia dell’universo tende ad aumentare 🙂
