Appunti completi corso di Chimica

Il legame ponte a idrogeno

Tutte le volte che un idrogeno è legato ad un elemento fortemente elettronegativo può fare da ponte (può interagire non legarsi) con un altro atomo anch'esso fortemente elettronegativo.

Quando l'idrogeno è legato a un atomo molto elettronegativo ha una carenza elettronica. Poiché l'idrogeno ha un solo elettrone questa carenza elettronica è talmente forte che gli permette di interagire elettrostaticamente con un altro atomo ricco di cariche negative. (È cruciale la dimensione ridotta dell'idrogeno).

Infatti nell'acqua c'è una rete di interazioni ponte idrogeno molto estesa. Questo spiega il perché una molecola così piccola abbia temperatura di ebollizione molto alta, perché devo rompere un gran numero di ponti idrogeno.

Spiega anche l'aumento di volume nel ghiaccio. Il cristallo dell'acqua è molto ordinato e formato da maglie a struttura esagonale.

Quindi a parità di molecole, nel ghiaccio queste occupano un volume maggiore a causa di questa disposizione. I ponti idrogeno sono i più forti tra i legami deboli. Le interazioni possono essere intramolecolari (all'interno della stessa molecola) o intermolecolari (in due o più molecole). I cristalli con interazioni intermolecolari presentano temperature di fusione alte, perché bisogna rompere un gran numero di legami idrogeno. Alcoli non sono altro che molecole di acqua in cui un idrogeno viene sostituito da un idrocarburo. Un alcol è formato da tanti legami idrogeno. Stati di aggregazione della materia Passaggi di stato: T e p costanti Calore latente: energia per rompere i legami e permettere il passaggio di stato Esempio cubetto di ghiaccio: riscaldando un cubetto di ghiaccio, a un certo punto mi accorgo che fornendo calore la temperatura rimane costante. Questo perché tutta l'energia viene spesa per passare dal ghiaccio solido.

All'acqua liquida. Quando tutto il ghiaccio si è sciolto la temperatura torna a salire. A un certo punto la temperatura torna costante perché tutta l'energia viene consumata per far evaporare l'acqua, per rompere i ponti idrogeno. La temperatura torna a crescere quando tutta l'acqua è evaporata.

Stato solido

Nello stato solido le particelle sono il più vicino possibile, perché si cerca di massimizzare l'interazione tra le particelle. Questo spiega perché un solido ha forma e volume proprio.

I solidi si possono classificare in base a:

• tipo di particelle costituenti
• tipo di struttura cristallina

Dal punto di vista delle particelle si distinguono 4 solidi differenti:

• solidi ionici: (un esempio è il cloruro di sodio). Questi cristalli sono caratterizzati da un'alternanza tridimensionale di ioni positivi e negativi. Abbiamo delle interazioni elettrostatiche molto forti tra le particelle, ciò significa che si

ha una scarsa libertà vibrazionale delle particelle. Le temperature di fusione sono molto alte. La conseguenza è che hanno una lavorabilità nulla (fragili) perché facendo scorrere un piano sull'altro vincendo la forza meccanica, i legami che si sono rotti non si riformano. Lo scorrimento dei piani porta infatti ad una elevata solubilità in acqua. Hanno interazioni repulsive tra ioni della stessa carica. Sebbene i legami siano molto forti, gli ioni che si trovano più esternamente compiono un numero di interazioni minore rispetto a quelli interni, per cui questi ioni una volta accerchiati da molecole d'acqua vengono strappati dal reticolo. Man mano che strappo via ioni, aumentano quelli più esterni, perciò la solubilità cresce nel tempo. Gli ioni che a questo punto sono accerchiati da molecole d'acqua non possono più riformarsi, questo a causa anche della grande costante dielettrica dell'acqua (proprietà che

promuove la separazione di cariche opposte). HannoConducibilità elettrica nulla ( perfetti isolanti ) perché gli elettroni sono ben localizzati negli ionidi segno opposto è non delocalizzati.

solidi covalenti:

• le particelle in questo caso non sono ioni ma atomi, per cui i legami sonoalte temperature di fusione.
• sempre molto forti. Ciò spiega le Un esempio è il diamante (formatoHa lavorabilità nulla,da atomi di carbonio ibridati sp). i legami non si riformano, perché sonoNon sono solubili in acquafortemente direzionati. perché al posto degli ioni ai vertici abbiamoisolanti o semiconduttoriatomi neutri. Sono perché le bande vuote sono a una grandedifferenza di energia. La grafite come il diamante è costituita da un carbonio puro ma è fatta dauna serie di piani in cui gli atomi di carbonio sono disposti nei vertici di esagoni regolari,l’ibridazione è sp. Abbiamo un sistema di orbitali

delocalizzati su tutto il solido. Lungo i piani la grafite è conduttrice, perpendicolarmente è isolante, ciò perché tra ogni piano c'è una grande distanza. Lungo i piani la grafite è lavorabile, mentre perpendicolarmente no. solidi metallici: Le temperature di fusione sono alte, la struttura è formata da atomi di metalli. Ottima conducibilità elettrica perché i legami sono forti, che si spiega con la teoria degli orbitali. Sono lavorabili meccanicamente, perché se faccio scorrere un piano sull'altro vincendo le resistenze i legami che si sono rotti si riformano in una nuova posizione. Sono insolubili in acqua. solidi molecolari: le particelle costituenti sono molecole, perciò le interazioni sono di natura debole, il che spiega la bassa temperatura di fusione. Un esempio è il ghiaccio. La solubilità dipende dalle interazioni con le molecole di solvente. Le interazioni tra le

molecole di solvente equelle del cristallo devono essere tali da vincere quelle che lo tengono unito. Le nuove interazionisimile scioglie il simile”.devono essere molto simili alle vecchie, perciò si dice che “ilLe molecole di solvente e soluto devono essere molto simili per ricreare lo stesso tipo di legame.Non sono lavorabili perché i legami non si riformano, (perché si ricreano solo inisolantideterminate condizioni). Sono perché non abbiamo elettroni delocalizzati.Classificazione in base alla struttura.I solidi sono formati da una struttura ben organizzata, il reticolo cristallino, costituito daparallelepipedi la cui traslazione nello spazio riproduce il solido.Il reticolo cristallino è formato da dalle celle elementari e da dei nodi (punto in cui si trovano leparticelle costituenti del reticolo)Periodi di identità: sequenza regolare di lati e angoli che costituiscono il parallelepipedoLa cella elementare è il

parallelepipedo caratteristico che riproduce tutto il solido.assi cristallografici

La cella elementare si dispone secondo i casi detti che spesso non coincidono con gli assi cartesiani.

Polimorfismo: alcune sostanze chimiche possono dar luogo a dei cristalli con celle elementari differenti. Questo dipende da come il solido si è formato ossia in base alle concentrazioni di temperatura e pressione alle quali si è formato il solido.

Anisotropia: un solido isotropo è caratterizzato dal fatto che le sue proprietà cambiano in base alla direzione in cui lo percorrono. Questo è dovuto al fatto che le particelle sono disposte in maniera disordinata (esempio vetro). I solidi cristallini sono invece perfettamente anisotropi, a seconda della direzione le proprietà cambiano. Questo è dovuto al fatto che sono costituiti da celle elementari ben orientate nello spazio.

Tipi di celle elementari:

• Monoclinica a≠b≠c Primitiva - basi centrate
• Triclina a≠b≠c

Solo primitiva

Questi sono i 14 reticoli di Bravais. Tutti i solidi in natura rientrano in almeno una di queste 14 strutture.

Difetti dei cristalli

Difetti puntiformi ossia localizzati in un punto ben preciso:

• vacanza: spazio vuoto che solitamente dovrebbe essere occupato da una particella
• interstiziale: quando una particella occupa un interstizio tra altre particelle in cui non dovrebbe trovarsi
• impurezza: quando l'interstizio viene occupato dalla particella di un altro cristallo
• sostituzionale: impurezza quando la particella di un cristallo va a sostituire quella di un altro cristallo

Stato gassoso

Le particelle non hanno né volume né forma propria perché sono completamente libere di muoversi. Poiché le particelle si muovono nello spazio, nello studio dei gas, si considera l'energia cinetica ad essa legata e quindi la temperatura (misura dell'energia cinetica media delle particelle). Le particelle tendono ad occupare il massimo volume possibile.

Perciò collideranno con le pareti del contenitore per cercare di scappare via. Avremo una certa frequenza e intensità di urti che è rappresentata dalla temperatura, volume e pressione. Dunque lo stato gassoso si rappresenta attraverso tre parametri: pressione.

Legge di Boyle: A temperatura costante, pressione e volume sono inversamente proporzionali. Questa relazione si rappresenta attraverso delle iperboli dette isoterme.

Legge di Charles: A temperatura costante, pressione e volume sono direttamente proporzionali. Abbiamo un fascio di rette (isobare).

Legge di Gay-Lussac: A volume costante, pressione e temperatura sono direttamente proporzionali. Abbiamo un fascio di rette (isocore).

Le differenze di comportamento tra gas diversi diminuiscono al diminuire della pressione. Aumentano però al diminuire della temperatura. Esiste un comportamento limite quando la pressione tende a zero. Poiché questo comportamento limite dipende dalla

temperatura basta dividere per la temperatura per svincolarsi. Quindi a pressioni molto basse e temperature molto alte, gas diversi si comportano allo stesso modo. Equazione di stato: Di stato perché i tre prodotti sono collegati contemporaneamente tra loro. Questa equazione mi definisce lo stato del sistema. Queste sono però condizioni ideali. Oltre che pressione bassa e temperatura alta è necessario che i gas abbiano delle dimensioni puntiformi, ossia il volume delle particelle deve essere trascurabile rispetto a quello del contenitore. Solo a tali condizioni si può parlare di gas ideale e applicare l'equazione di stato. Gas diversi nelle stesse condizioni (pressione bassa, temperatura alta, dimensioni puntiformi): "Gas diversi nelle stesse condizioni hanno lo stesso numero di molecole" legge di Avogadro. Miscele di gas diversi (ideale): Legge di