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Forze di van der Waals: legame a idrogeno


È un particolare tipo di interazione dipolo-dipolo che si instaura quando un atomo di idrogeno legato covalentemente ad un altro atomo molto elettronegativo viene attratto da un atomo fortemente elettronegativo di una molecola vicina. Nella formazione di un legame a idrogeno, l’atomo fortemente elettronegativo a cui è legato l’atomo di H attrae lontano dal nucleo dell’idrogeno la coppia di elettroni di legame, di conseguenza l’idrogeno viene attratto da parte di una coppia solitaria di elettroni di un atomo fortemente elettronegativo di una molecola vicina.
Il legame a idrogeno può avvenire solo con certi composti contenenti atomi di H, in quanto tutti gli altri atomi possiedono elettroni nei loro gusci interni in grado di schermare i loro nuclei dall’attrazione delle coppie solitarie delle molecole vicine. I composti in grado di formare il legame a idrogeno sono N, O, F e in certi casi Cl e S. in confronto ad altre forze intermolecolari i legami a idrogeno sono abbastanza forti, con energie di legame che si aggirano intorno a 15-40 Kj/mol. I legami covalenti singoli sono molto più forti, hanno energie di legame che, come mostrato in precedenza, vanno ben oltre i 150 Kj/mol. Nonostante l’energia dell’interazione sia piccola se confrontata con i legami covalenti, è comunque determinante per definire lo stato di aggregazione.
Il legame a idrogeno è in grado di spiegare l’alta solubilità in acqua di composti molecolari contenenti O, N, F; le alte temperature di ebollizione di H2O, HF, NH3; la struttura delle proteine e degli acidi nucleici.
La sostanza più comune in cui è presente il legame a idrogeno è l’acqua. Una singola molecola di acqua, tramite legami a idrogeno, si lega ad altre quattro molecole di acqua creando una disposizione tetraedrica. Nel ghiaccio i legami a idrogeno tengono insieme le molecole di acqua in una struttura rigida ma abbastanza aperta. Quando il ghiaccio fonde, solo una parte dei legami a idrogeno viene rotta. Un’indicazione di questo fenomeno è il relativamente basso calore di fusione del ghiaccio (circa 6,01 Kj/mol), che è molto minore di quanto previsto se tutti i legami a idrogeno si rompessero durante la fusione. La struttura aperta del ghiaccio conferisce ad esso una bassa densità, che gli permette appunto di galleggiare sull’acqua allo stato liquido. Quando il ghiaccio fonde alcuni legami a idrogeno si rompono, questo consente alle molecole di acqua di sistemarsi in modo più compatto, questo spiega l’aumento di densità quando il ghiaccio fonde. Quindi il numero di molecole di H2O è maggiore allo stato liquido piuttosto che a quello solido. Quando l’acqua liquida viene riscaldata oltre il punto di fusione la sua densità continua ad aumentare. La densità massima raggiunta dall’acqua liquida si ha a 3.98°C, al di sopra questa temperatura l’acqua si comporta in modo normale, ovvero la sua densità diminuisce con l’aumentare della temperatura. L’anomalo comportamento dell’acqua spiega perché i laghi freddi congelano a partire dalla superficie e non dagli strati più profondi. Quando la temperatura raggiunge i 4°C la densità dell’acqua aumenta, essendo più densa quest’acqua scende negli strati più profondi, e quella più in superficie, di temperatura minore, congela, creando uno strato di ghiaccio che tende ad isolare l’acqua sottostante da un ulteriore raffreddamento. Senza i legami a idrogeno i laghi gelerebbero a partire dal basso, non consentendo la vita della flora e della fauna acquatica.
Nel grafico a lato è presente un confronto tra i punti di ebollizione di alcuni idruri degli elementi dei gruppi 14, 15, 16 e 17.
I valori di NH3, H2O, HF sono anomelmente alti in confronto a quelli degli altri membri del gruppo.

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