Fondamenti di chimica

La tavola periodica

Periodiche-Nel 1896 Mendeleev scoprì che le proprietà degli elementi, se ordinati in base alla massa sono ma non riusciva a spiegare il comportamento particolare di alcuni elementi, per esempio il cobalto, avendo numero di massa maggiore del nichel tuttavia possiede delle proprietà che lo collocherebbero prima.

non-Nel 1913 Moseley capì che il parametro ordinatore degli elementi era il numero atomico, bensì il numero di massasemimetalli7Lautonidlis sactivité.i gruppiI periodi sono le righe orizzontali, mentre sono le colonne verticali La legge periodica è la legge secondo cuimetalli alcaliniGli elementi del gruppo 1 sono detti disponendo gli elementi in ordine progressivometalli alcalino-terrosiGli elementi del gruppo 2 sono detti di numero atomico si nota un ripetersimetalli di transizioneGli elementi del gruppo 3-12 sono detti periodico delle loro propietàcalcogeniGli elementi del gruppo 16 sono detti alogeniGli elementi del gruppo 17 sono detti gas nobiliGli elementi del gruppo 18 sono detti

La carica nucleare efficace

Z* è la carica nucleare efficace. L’elettrone esterno è soggetto ad una schermatura da parte degli elettroni più interniI' elandantodivat illugo peniodow Pen predies2move-s^ eleuti2 di qubo BoroeCarBoxicofeverV GBOROSE CARBONCO 8 t entereat edtôôô8ô ho se! di -MUrouneutteme entecot spn tèfîîu 5fkhodilé 6 !moro GptGli orbitali p sono a 90 gradi quindi non schermano quindi il boro ha la stessa struttura elettronica del carbonio mentreessendo aumentata la carica del nucleo da 5 a 6 protoni, la Z* risentita dall’ultimo elettrone del boro è < di quella risentitadall’ultimo elettrone del carbonio.

• Nella tavola periodica quindi Z* aumenta da dx verso sx

Nel 1 gruppo l’elettrone più esterno si colloca a distanze relativamente grandi dal nucleo quindi sempre ben schermata daglielettroni più esterni

• Sui gruppi quindi Z* resta costante

Il raggio atomico

Si definisce raggio atomico la metà della distanza tra i nuclei di 2 atomi della stessa specie in una molecola @ B2 -- - -- - -zrpNel 2 periodo l’elettrone più esterno ( a parte litio e berillio) si trova sempre in un orbitale di tipoe pertanto tutti gli elementi del secondo periodo dovrebbero a vere lo stesso raggio atomico,U però da sx verso dx aumenta Z* che provoca un abbassamento dell’energia degli orbitali epertanto il raggio atomico diminuisce da dx verso sx.

• Nel primo gruppo la Z* resta costante, men'trIe I l’elettrone più esterno dall’alto verso il basso si colloca nell’orbitale2s,3s,4s…Quindi il raggio atomico aumenta dall’alto verso il basso

Energia di ionizzazione

È l’energia necessaria per allontanare a distanza infinitaXğte\ tEiou dal nucleo l’elettrone meno legato ad essoCf) s

• Nel 2 periodo, da destra verso sinistra si ha una riduzione del raggio atomico e pertanto^ l’elettrone più esterno risulta più fortemente legato quindi Eion aumenta
• Nel 1 gruppo, dall’alto verso il basso aumen'ta il raggio atomico e pertanto Eion aumenta dal basso verso l’alto

Energia di affinità elettronica

te ,Yg Eoffietneutro, isolato,Liberata quando ad un atomo Meg 1nel suo stato fondamentale viene addizionato un elettrone ,)

• Nel 2 periodo l’energia di affinità elettronica cresce da sx verso dx (perché diminuisce il raggio atomico)^ E pertanto l’elettrone aggiunto si colloca più vicino al nucleo liberando un’energia sempre maggiore dadx verso sx

Ricorda: ogni volta che si forma un legame chimico vene liberata energia.

Per la stessa ragione l’energia elettrochimica aumenta dal basso verso l’alto nel primo gruppo

L’elettronegatività

Indica la tendenza di un atomo ad attirare a se elettroni quando si lega con un altro atomo. Il concetto di elettronegativitdiverso dall’energia di affinità elettronica A-l’energia di affinità elettrica è una proprietà intrinseca degli atomi isolati e si riferisce a-L’elettonegatività è una proprietà che ha significato solo quando si fa riferimento ad un atomo riferito ad altri atomi.s

• Lungo il 1 gruppo l’elettronegatività diminuisce dall’alto verso il basso~
• Lungo il 2 periodo l’elettronegatività cresce da dx verso sx

Il carattere metallico

Gli elementi chimici si possono classificare, basandosi sull’entità delle forze attrattive che legano gli atomi e gli elettroni piùesterni, in 2 grandi categorie: i metalli e i non metalli.a metalliciGli elementi sono costituiti da elementi i cui atomi sono caratterizzati dadeboli forze attrattive tra elettroni esterni e nucleo, il carattere metallico quindi è tanto piùaccentuato quanto è più bassa la Eion dell’elemento considerato.V

• Nel 1 gruppo il carattere metallico aumenta dall’alto verso il basso
• Nel 2 gruppo il carattere metallico aumenta da dx verso sxnon metalli notevole quantitàI sono costituiti da elementi nei cui atomi le forze tra nucleo ed elettroni esterni sono di cosìda trattenere gli elettroni stabilmente legati ad esso e favorire eventualmente l’addizione di altri elettroni.
• Dato che l’energia di affinità elettrica cresce lungo il 2 periodo da sx verso dx, allora gli elementi con caratteristiche piùspiccate di non metallo si trovano nella parte destra della tavola periodica
• Dato che il carattere metallico varia con una certa continuità lungo ciascun periodo è naturale prevedere che alcuni elementidella parte interna della TP maturino delle proprietà chimico-fisiche intermedie tra quelle dei metalli e quelle dei non metalli.semimetalliTali elementi sono i

Il legame chimico

L’esistenza di specie poliatomiche stabili (molecole o ioni poliatomici) dimostra che tra gli atomi possono stabilirsi dellerilevanti interazioni per dar luogo a degli aggregati che dal POV energetico sono più stabili degli atomi separati.

Quindi l’energia degli elementi A+B———>AB , l’energia della specie AB è più bassa della somma delle energie di A+B.legame chimico.

• Se l’abbassamento è maggiore di 50Kj/mol si può affermare che tra gli atomi si è formato un

Classificazione dei legami chimici

ionico, metallico, covalente, debole,Psi amo classificare i legami chimici o in 4 tipi di legami cioè legame

I simboli di Lewis

Utili nella descrizione del legame chimico, il simbolo dell’elemento è circondato di punti tanti quanti sono i suoi elettroni di valenza.

Il legame covalente

Nelle molecole O2, H2, N2 non è possibile invocare un trans ferimento di elettroni da un atomo all’altro nella lorocondivisioneformazione perché ambedue gli atomi sono della stessa specie, il legame si spiega attraverso una dielettroni di valenza

Teoria di Lewis nel legame covalente

elettroni di legame

• I legami covalenti sono formati dalla condivisione tra 2 atomi di una o più coppie di in modo che ciascunatomo raggiunga al configurazione elettronica di un gas nobile elettroni di legame,
• La coppia di elettroni messi in comune costituisce la coppia di le coppie non condivise vengono dettecoppie solitarie

I legami singoli

Si formano dalla condivisione di una copia di elettroni cascina dei quali proviene da un atomo diverso

Molecola di H2 Nell’Unione dei 2 atomi può pertanto essere realizzata per entrambi una strutturaHo H )t HH stabilea gas nobile realizzando uno stato energeticamente piuIß In IsIr^ îî î dj

I legami multipli

Esistono composti in cui il numero di elettroni disponibili all’interno non consente di rappresentare la struttura di lewis usandolegami multipli legamesolo legami singoli, ma richiede l’uso di se tra 2 atomi sono condivise 2 coppie di elettroni si ha undoppio, legame triplose le coppie condivise sono 3 si ha unMolecola di N2 NIni t .

La regola dell’ottetto

23,ZPx?P4j2Pz? THe HeT 12 24 La tendenza degli atomi a reagire per avere una configurazionei P+7z npe, ) elettronica con 8 elettroni di valenza è alla base di questa teoriaVzpaƝpûO Wd ¿ Elte -si è visto che la configurazione di un gas nobile, modello di2THe 3 s .2s } grande stabilità è ns2, np6 = 8 elettronidieleft leganemwei dieleftEzpyEzpyd legieremeinen manD 47î îiZptZptElettenani dilegance

La teoria del legame covalente (VB)

Un legame covalente si forma per sovrapposizione di 2 orbitali atomici ognuno dei quali contiene un solo elettrone4 YBeaprovvisoriamente dai 2 atomi A e B

• Un legame tra 2 atomi A e B si forma solamente se B è un elettrone spaiato su ciascuno dei 2 orbitali che si combinano

Criterio della massima sovrapposizione degli orbitali atomici (VB)

Il processo di sovrapposizione di 2 orbitali atomici è in relazione nella teoria VB all’energia di un dato e questo valorerappresenta la forza del legame stesso, infatti quanto è maggiore la sovrapposizione tra 2 orbitali, infatti quanto è maggiorel’energia di legame tanto più forte è il legame

• Nella meccanica quantistica l’energia di legame è rappresentata da. (Integrale di sovrapposizione)4S 4 dr-Sr.x a BTanto è maggiore S tanto maggiore è l’energia del legame e il significato di S può essere spiegato rappresentando lasovrapposizione di 2 orbitali di tipo s ;, :;t i €:€ : tif: ;:t sacz s5=0 :<z .." i!.;YEeart YLe superfici dei singoli orbitali sono tali da permettere di trascurare il valore delle funzioni nei punti esterni adesse, così il prodotto che compare nell’integrale di sovrapposizione, assume valori significativi i solo quando le 2 superfici sisovrappongono f *" È proprio la sovrapposizione dei 2 orbitali atomici 1s

La molecola di H2 nella teoria VB

|¡;".... contenenti ciascuno 1 elettrone a dare origine al legameNELLA TEORIA VB 8%j"-"|ů". nella molecola di H2ůů;".". In 2 Zpy ZpZP z+s

La molecola di N2 nella teoria VB

sieneconfigmo monice OdiNI elett apPNELLA TEORIA VB :M ugualituttePannam pertauto revolissore 3 3chesomoffraisia feeo sareow enolZ7 y y O Samoppanizioneolteleb-)t x NzPa Pz Esistono 2 tipi di sovrapposizione, una coassiale (asse x)z u e 2 laterali (asse y,z), esse si differenziano per il diversoZ Oooy grado di estensione, risultando infatti maggiore quellao o->o derivante dalla sovrapposizione coassiale rispetto alle 2poop£O x identiche laterali.

Nz Dato che la forza di un legame è direttamente correlataßypy all’entità della sovrapposizione , il legame che si formadalla sovrapposizione coassiale è più forte di ciascunot7 8y 87 dei 2 che si genera dalla sovrapposizione laterale.oo --3oo x legame sigmaSovrapposizione coassiale forma unt oNz legame pigrecoSovrapposizione laterale forma un ITPzPz NBdiAZOTOALLORA NELLA oveewwMOLECOLA N * .

Lo stato di valenza degli atomi puri

La teoria VB dei legami di valenza definisce un legame covalente formato per sovrapposizione di 2 orbitali atomici 4 YßeAogni uno dei quali contiene 1 solo elettrone provenienti dai 2 atomi A e B nel loro stato elettronico fondamentale, èspesso inadeguato per spiegare l’esistenza di alcune molecole

Per esempio il Berillio ha configurazione elettronica nel suo stato fondamentale 1s2, 2s2 e non possedendo alcunnon covalenti.elettrone spaiato dovrebbe formare secondo VB dei legami Nella realtà invece esistono dei compostidel Berillio con legami covalenti es: BeCl2 allo stato gassoso. cancetto atoniitato deglilesodi di noHl : --2"Be Voleuso Jeletteryfendouto "PromoovediStATOle sstato: dal 27 2al f@ooo @ ôôoOoidzÅzpxZpqzpxcy lzz Zsz Zpx Zpy ZBz0 00LandanutoleBamo Iitotovellofraniade elettrane pertoutepoiato elegoIdombbe roltosolorecaudo VB nutre in coupotiCOVALENTE i,legani3 conolutiBorodel contengonofandauto le statoB PeroStato Voleuzodi elettuoneLs: mnoveS dol ol2 28sóôow@: ô @ó 00 Zpå ZpåZpžOlyz 2Zpx23 I0ZpÅyZBz y?z o?leganZ coltofamwCorhonio Lamohdowbbe conrluti inrecado VB- we,faudautole statoStato Voleuto PreomuauediC eletteeJs: S del al 2821óôowî@! o @o 00î Zp Zpålzz ZpžZs "ZpÅZppZpzZßz I .ß 2

Lo stato di ibridazione degli orbitali

La teoria VB che definisce un legame covalente formato per condivisione di 2 orbitali atomici puri , come la definizione dilegame come sovrapposizione dei singoli orbitali atomici puri sono spesso inadeguate per spiegare la struttura geometrica dimolte molecolestato statooibridazionefoxdamentale statodivalenzaQs HuCARBONLO +: molezafardantole StaTOstato di Lamapponiziones 90%)le3 meturedi tipoen000 cochonio0 000 0n i nî o preameneînHOO tipotIelettere diin namopporiziaeOO MPPIP. 1250"+ Zsdi2 I2 diftZ Ces7 ÂÃ.

Otteniamo quindi 3 legami a 90° e 1 a 125°ugualiNella realtà si formano 4 legami in angolo, energia, lunghezza. Nel metano sono disposti secondo la geometria tetraedrica

• In genere quindi in una molecola poliatomica i legami covalenti non possono essere descritti facendo riferimento agli orbitaliorbitali atomici ibridiatomici puri ma ad un nuovo tipo di orbitali detti che risultano da una combinazione matematica degliorbitali atomici puri

Teoria dell’ibridazione degli orbitali

In generale avviene una combinazione matematica lineare se:

• Solo orbitali atomici puri corrispondenti ai livelli energetici vicini possono dare luogo al processo di ibridazione
• N n ibridati-Dall’ibridazione di orbitali atomici puri si ottengono orbitali atomici
• Per raggiungere lo stato di ibridazione un atomo deve spendere energia detta energia di ibridazione, l’energia spesa in taleprocesso viene compensata dalla creazione di legami più forti dovuti alla più estesa sovrapposizione assicurata dagli orbitaliibridi rispetto quelli atomici s p sp3

Ibridazione sp³

Ibridazione sp3 : tra 1 orbitale e 3 orbitali che produce 4 orbitali "008O co, 77 :LIVELLI ENERGETICI DEGLI ORBITALI IBRIDI^ ^^ rpzpîTî rTtnapzp 3î zs2î! sIsîi îi Is2î ? nstato bridazionestatodivalenzaforbameNtale s p sp2

Ibridazione sp²

Ibridazione sp2 : tra 1orbitale e 2 orbitali che produce 3 orbitali Gli orbitali sp2 sono più piccoli rispetto gli@ô@ sp3co ++ oLIVELLO ENERGETICO ^^ ^îtprî îZpzzp 2pî Zs îîîsp 22î? sIsîi îi27îd Isstato bridazioneSTATofombamentalE VALENZaDI" OürooinnI Legani Ottenti" . ç-çç*?OnnLi " 188latulesuneppeisives p sp

Ibridazione sp

Ibridazione sp : tra 1 orbitale e 1 orbitale che produce 2 orbitali-- 0 xooO-: +-- iLIVELLO ENERGETICO ^^ ^ 2îpîrî p+Zpyzp 2p îî 2s spîn2îi sLsîi îorî Is2?STATO bridazionestatoFONBAMEMTALE divalenza

La teoria degli orbitali molecolari

Il concetto base della teoria MO è:

• Tutti gli elettroni di 1 molecola, e particolarmente gli elettroni di legame sono associati a orbitali molecolari e non a orbitaliatomici come nel caso della teoria VB.

La teoria MO si fonda sui seguenti punti: YY

• Si scrive l’equazione di schrodinger per la molecola con =orbitale molecolare al posto di. =orbitale atomico,sirisolve questa equazione e si trovano le soluzioni, cioè leE-Ciascuna. corrisponde ad un preciso valore di EÜ--
• Le soluzioni ossia. sono caratterizzate da appropriati numeri quantici e prendono il nome di orbitale molecolareÖ ö
• Le soluzioni hanno lo stesso significato che avevano per gli atomi singoli, ossia probabilità di trovareYdv =l’elettrone nell’elemento di volume dv Su
• Per ogni candelabro deve essere verificata ala condizione di normalizzazione : =oÜdv=t-Una volta ottenuti gli orbita