Superfici di energia potenziale: la mappa di una reazione

Per capire davvero come avviene una reazione si usa il concetto di superficie di energia potenziale: una «mappa» dell’energia del sistema in funzione delle posizioni dei nuclei. Su questa mappa i reagenti e i prodotti sono due valli, separate da un passo di montagna. Il punto più alto del percorso più conveniente tra le due valli è lo stato di transizione, e la sua altezza è la barriera di attivazione. È l’immagine che sta dietro alle reazioni chimiche.

Vediamo che cos’è questa superficie, come vi si leggono valli e passi, che cosa rappresenta il punto di sella e perché la posizione della barriera influenza quale tipo di energia favorisce la reazione.

Una mappa dell’energia

Una superficie di energia potenziale rappresenta come varia l’energia del sistema mentre i nuclei si muovono, per esempio mentre un legame si allunga e un altro si forma. Per una reazione semplice tra un atomo e una molecola, l’energia dipende da due distanze interatomiche, e l’insieme dei valori forma una superficie a due dimensioni immersa in uno spazio tridimensionale, proprio come un paesaggio montuoso descritto da una mappa altimetrica.

Valli, creste e percorso di reazione

Su questa mappa i reagenti e i prodotti occupano due valli, cioè due minimi di energia, separate da una zona più alta. La reazione corrisponde a un cammino che porta da una valle all’altra. Tra tutti i percorsi possibili, il sistema tende a seguire quello che richiede meno energia, il percorso a minima energia, così come un viandante sceglie il passo più basso per valicare una catena montuosa invece di scalare le cime.

Il punto di sella e lo stato di transizione

Il punto chiave è il punto di sella: il punto più alto lungo il percorso a minima energia, che però è anche un minimo nelle direzioni trasversali, esattamente come la sella tra due monti. Corrisponde allo stato di transizione, la configurazione critica che il sistema deve attraversare per trasformarsi da reagenti a prodotti. La differenza di energia tra il punto di sella e la valle dei reagenti è l’energia di attivazione della reazione.

reagenti (valle) → punto di sella (stato di transizione) → prodotti (valle)  il percorso a minima energia attraversa il passo

Barriera anticipata o ritardata

La posizione del passo lungo il cammino fa una grande differenza. Se la barriera si trova «presto», quando i reagenti sono ancora poco deformati (superficie attrattiva), è soprattutto l’energia di traslazione dei reagenti a essere efficace nel superarla. Se invece si trova «tardi», quando il sistema assomiglia già ai prodotti (superficie repulsiva), conta di più l’energia di vibrazione. Questa relazione, sintetizzata in alcune regole pratiche, collega la forma della superficie al modo migliore di «spingere» la reazione.

Il fondamento delle teorie cinetiche

La superficie di energia potenziale è il fondamento concettuale della teoria dello stato di transizione e della dinamica delle reazioni. Permette di definire con precisione che cos’è lo stato di transizione, da dove viene l’energia di attivazione e come l’energia immessa nei reagenti si ripartisce nei prodotti. È, in sostanza, il «terreno di gioco» su cui ogni reazione si svolge, e calcolarla è oggi uno dei compiti della chimica teorica.

Quadro d’insieme

La superficie di energia potenziale mappa l’energia del sistema in funzione delle posizioni dei nuclei: reagenti e prodotti sono valli, separate da un passo il cui punto di sella è lo stato di transizione. La posizione della barriera decide quale energia, traslazionale o vibrazionale, favorisce la reazione. È il fondamento delle teorie cinetiche e della dinamica.

Domande frequenti

Che cos’è una superficie di energia potenziale?

È una rappresentazione di come varia l’energia di un sistema chimico in funzione delle posizioni dei suoi nuclei, per esempio mentre un legame si allunga e un altro si forma. Per una reazione semplice dipende da poche distanze interatomiche e si può disegnare come un paesaggio a valli e creste. Costituisce la mappa su cui si svolge la reazione, e da essa si leggono i punti chiave del processo, come lo stato di transizione.

Che cosa rappresentano valli e passi sulla superficie?

Le valli, cioè i minimi di energia, rappresentano le configurazioni stabili: i reagenti da una parte e i prodotti dall’altra. La regione più alta che le separa è la barriera che la reazione deve superare. Il sistema tende a seguire il percorso a minima energia, che attraversa la barriera nel punto più basso possibile, come un viandante che valica una catena montuosa scegliendo il passo invece delle cime.

Che cos’è il punto di sella?

È il punto più alto lungo il percorso a minima energia, ma allo stesso tempo un minimo nelle direzioni trasversali, esattamente come la sella tra due monti. Corrisponde allo stato di transizione, la configurazione critica che il sistema deve attraversare per passare da reagenti a prodotti. La differenza di energia tra questo punto e la valle dei reagenti rappresenta l’energia di attivazione della reazione.

Perché la posizione della barriera è importante?

Perché determina quale tipo di energia è più efficace per far avvenire la reazione. Se la barriera è anticipata, su una superficie detta attrattiva, è soprattutto l’energia di traslazione dei reagenti ad aiutare a superarla. Se è ritardata, su una superficie repulsiva, conta di più l’energia di vibrazione. Questa relazione collega la forma della superficie al modo migliore di fornire energia per promuovere la reazione.

A che cosa serve conoscere la superficie di energia potenziale?

Serve a fondare in modo rigoroso le teorie sulla velocità delle reazioni. Permette di definire con precisione lo stato di transizione, l’origine dell’energia di attivazione e il modo in cui l’energia si distribuisce nei prodotti. È il fondamento della teoria dello stato di transizione e della dinamica delle reazioni, e il suo calcolo, oggi affidato alla chimica quantistica, è centrale per comprendere e prevedere il comportamento dei sistemi reagenti.