L'energia e i principi della termodinamica

Qualsiasi tipo di reazione chimica comporta una variazione di energia. L'energia può essere definita come la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro e si manifesta in diverse forme (trasformabili le une nelle altre), riconducibili a due tipi principali:

1. energia cinetica, associata al movimento dei corpi (oggetti macroscopici, particelle; l'energia termica, dovuta all'agitazione delle molecole, è un particolare tipo di energia cinetica);

2. energia potenziale, cioè "accumulata" nei corpi in virtù della loro posizione in un campo di forze (gravitazionali, elettriche ecc.); (l'energia chimica, che deriva dall'attrazione elettrostatica tra cariche elettriche di segno opposto, è un particolare tipo di energia potenziale associata ai legami chimici).

Nelle adatte condizioni, l'energia cinetica si trasforma in energia potenziale e viceversa. Le conversioni dell'energia da una forma a un'altra sono governate dai principi della termodinamica.

  La termodinamica

La termodinamica è la scienza che stabilisce i concetti fondamentali per lo studio dei trasferimenti energetici tra sistemi chimici o fisici, sotto forma di scambi di calore o lavoro.

Un sistema è un insieme di corpi, distinti dall'ambiente (che è tutto ciò che si trova al di fuori del sistema). Sono detti sistemi isolati quelli che non scambiano né energia né materia con l'ambiente esterno; sistemi chiusi quelli che scambiano energia, ma non materia, con l'ambiente esterno; sistemi aperti quelli che scambiano sia energia sia materia con l'ambiente esterno. In un sistema isolato, come l'Universo, le trasformazioni termodinamiche sono governate dal primo e dal secondo principio della termodinamica.

Il primo principio della termodinamica afferma che in un sistema isolato rimane costante il contenuto totale di energia, anche se tutte le diverse forme di energia si possono trasformare una nell'altra ("l'energia non si crea e non si distrugge").

Il secondo principio della termodinamica afferma che in un sistema isolato, quando l'energia viene convertita da una forma all'altra, parte dell'energia disponibile viene sempre dissipata sotto forma di calore e quindi non è più disponibile per produrre lavoro (cioè l'energia tende spontaneamente a degradarsi, facendo aumentare il disordine del sistema).

Il secondo principio può anche essere formulato nel modo seguente: in un sistema isolato tutti i processi spontanei portano a un aumento di casualità e di disordine. La tendenza spontanea all'aumento di disordine e alla perdita di energia è detta entropia (v. fig. 2.1).

In ogni organismo e ogni cellula di un organismo, tuttavia, il risultato delle reazioni chimiche è invece la tendenza a creare un ordine localizzato del sistema. Infatti ogni cellula si comporta come un sistema aperto: riceve dall'esterno materia ed energia, che utilizza per attivare le trasformazioni non spontanee, eludendo in questo modo il secondo principio della termodinamica.

  L'energia nelle reazioni chimiche

Dal punto di vista termodinamico, le reazioni chimiche vengono divise in reazioni endoergoniche e reazioni esoergoniche.

Nelle reazioni endoergoniche, i prodotti possiedono più energia dei reagenti, per cui le reazioni avvengono solo se si fornisce energia dall'esterno.

Le reazioni esoergoniche, invece, non hanno bisogno di un apporto di energia dall'esterno, perché i reagenti possiedono più energia dei prodotti; avvengono perciò, secondo i principi della termodinamica, spontaneamente e l'energia in eccesso viene liberata durante la reazione, in genere come calore.

Non è detto, tuttavia, che le reazioni spontanee possano procedere con una velocità apprezzabile: in genere, infatti, per trasformarsi in prodotti i reagenti devono superare un dislivello energetico iniziale, detto energia di attivazione (v. fig. 2.2). In altri termini, alle molecole dei reagenti deve essere fornita dall'esterno una quantità di energia sufficiente perché i loro urti reciproci siano efficaci, cioè tali da vincere inizialmente le repulsioni fra i loro elettroni esterni, condizione perché si possano stabilire legami chimici. Tra i fattori che possono abbassare l'energia di attivazione, e fare quindi procedere velocemente una reazione chimica, figurano aumenti di temperatura e la presenza di catalizzatori (catalizzatori di fondamentale importanza in campo biologico sono gli enzimi).