Chimica generale ed inorganica

LEGAME CHIMICO

Gli aggregati poli-atomici sono sostanze composte da atomi legati tra loro il cui numero di atomi va da 2 a un numero maggiore. Tra due atomi A e B c'è un legame chimico quando esiste tra essi un'interazione così forte da far sì che si possa considerare l'insieme AB come qualcosa di unitario.

Il legame dipende dalla configurazione elettronica esterna degli atomi. Due atomi si avvicinano, si ha la repulsione delle cariche negative degli elettroni e quella tra le cariche positive dei nuclei. Affinché due atomi siano legati serve che, ad una certa distanza, l'attrazione sia maggiore della repulsione, quindi l'energia libera complessiva dei due atomi A e B quando sono legati deve essere minore di quella che avrebbero se i due atomi fossero separati. Il legame avviene dalla compartecipazione di due elettroni da parte dei due atomi (un elettrone per ciascun atomo); se i due atomi che si avvicinano hanno un orbitale atomico con un solo.

Elettrone: i due elettroni possono occupare la stessa regione a spin anti-paralleli (l'area in comune ai due orbitali è l'area di sovrapposizione). Così aumenta la densità elettronica della zona compresa tra i due nuclei e i termini attrattivi risultano così maggiori di quelli repulsivi.

Ad una distanza detta "distanza di legame" l'energia è minima ed è chiamata energia di legame. È l'energia che serve fornire al sistema per rompere il legame. Se questa distanza diminuisce e A e B si avvicinano, la repulsione tra gli elettroni interni degli atomi e tra i nuclei aumenta, l'energia aumenta ed il legame non si forma.

Legame covalente: deriva dalla sovrapposizione di due orbitali di due atomi, contenenti ognuno un elettrone, per dare un unico orbitale di legame (il legame può essere formato anche per sovrapposizione tra un orbitale vuoto ed uno contenente due elettroni).

Il legame è più stabile quanto maggiore è la sovrapposizione tra gli orbitali rispetto al volume totale degli orbitali stessi. L'orbitale di legame è l'area in cui i due orbitali si sovrappongono. Il legame covalente è formato da una coppia di elettroni a spin anti-parallelo condivisa da due atomi. Si verifica tra atomi con piccola differenza nella tendenza ad acquistare o perdere elettroni. Sono atomi con alta affinità elettronica. La natura del legame covalente fu suggerita da Lewis: postulò che gli atomi si legano per raggiungere una configurazione elettronica di un gas nobile, cioè 8 elettroni esterni o "divalenza" (ottetto elettronico). Regola dell'ottetto: nel formare legami covalenti gli elementi condividono elettroni per raggiungere la configurazione otteziale. Ogni atomo che coinvolge orbitali s e p in una molecola può fare massimo 4 legami ed essere circondato da 8 elettroni di valenza.valori di energia elettronica). Gli orbitali ibridi sono necessari per spiegare la geometria delle molecole, in particolare la forma dei legami e l'angolo tra di essi. I legami covalenti possono essere polari o apolari, a seconda della differenza di elettronegatività tra gli atomi che formano il legame. Se la differenza di elettronegatività è zero, il legame è apolare, altrimenti è polare. I legami ionici si formano tra atomi con differenza di elettronegatività molto elevata. In questo caso, uno degli atomi cede uno o più elettroni all'altro, formando ioni positivi e negativi che si attraggono reciprocamente. Infine, i legami metallici si formano tra atomi di metalli. In questo tipo di legame, gli atomi condividono gli elettroni di valenza in un "mare" di elettroni liberi, che permette la conduzione elettrica e termica dei metalli. In conclusione, i legami chimici sono fondamentali per la formazione delle molecole e per la stabilità delle sostanze. Attraverso la condivisione o la trasferimento di elettroni, gli atomi si legano insieme e formano nuove sostanze con proprietà chimiche diverse.orbitali i cui assi formano tra loro angoli diversi da quelli degli orbitali atomici). Gli orbitali ibridi sp (da un orbitale s e uno p) sono uguali nella forma e nell'energia, anche se diversi da quella degli orbitali s e p puri. Geometria molecolare: il modello VSEPR detto anche "modello delle repulsioni tra coppie elettroniche del guscio di valenza". Permette di prevedere la disposizione spaziale degli atomi legati ad un atomo centrale; questa dipende dal numero di coppie elettroniche esistenti nel guscio di valenza. La coppia può essere tra due atomi (coppia di legame) o su un atomo (coppia solitaria). Le coppie occupano spazi intorno al nucleo (sfere elettroniche). Secondo il modello la molecola si dispone in modo che le coppie elettroniche, o sfere elettroniche, siano il più lontano tra loro per via della repulsione. Teoria del legame di valenza: proposta nel 1927 da Heitler e London e successivamente ampliata da Pauling con i concetti di risonanza e diall'attrazione degli elettroni. Gli atomi con maggiore elettronegatività tendono a trattenere gli elettroni con maggiore forza, creando un legame più polarizzato. L'ibridazione orbitale è un concetto che descrive la combinazione di orbitali atomici per formare orbitali ibridi, che sono utilizzati per la formazione dei legami chimici. Gli orbitali ibridi sono combinazioni lineari di orbitali atomici che hanno forme e orientamenti specifici nello spazio. La teoria dell'ibridazione orbitale fornisce una spiegazione per la geometria molecolare e la natura dei legami chimici. Ad esempio, nel caso del carbonio, l'ibridazione sp3 crea quattro orbitali ibridi che sono orientati in modo tetraedrico e possono formare legami con altri atomi. La sovrapposizione degli orbitali ibridi con gli orbitali atomici degli altri atomi permette la formazione dei legami chimici. A seconda del tipo di sovrapposizione, si possono formare legami sigma (quando gli orbitali si sovrappongono frontalmente) o legami pi (quando gli orbitali si sovrappongono lateralmente). Inoltre, la teoria dell'ibridazione orbitale spiega anche la delocalizzazione degli elettroni di legame. Quando ci sono più di due atomi coinvolti in un legame, gli elettroni di legame possono essere delocalizzati su più atomi, creando una struttura di risonanza. Infine, il modello VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) e l'ibridazione orbitale possono essere utilizzati per prevedere la geometria delle molecole. La geometria molecolare dipende dal numero di elettroni di legame e di coppie solitarie intorno all'atomo centrale, nonché dal tipo di ibridazione orbitale utilizzata.

In una molecola, gli atomi sono legati tra loro da forze di attrazione che coinvolgono coppie di elettroni. Più un atomo è elettronegativo, più attira a sé gli elettroni di legame. La densità elettronica è maggiore vicino all'atomo più elettronegativo, che avrà una carica negativa maggiore, mentre l'altro atomo coinvolto avrà una carica negativa minore. Il legame che si forma è chiamato legame covalente polare, in cui la densità elettronica è spostata verso uno dei due atomi.

La teoria degli orbitali molecolari considera una molecola come un insieme di nuclei ed elettroni e determina le funzioni d'onda che descrivono gli elettroni nella molecola. Tutti gli elettroni risentono dell'attrazione di tutti i nuclei, considerati fissi nelle loro posizioni di equilibrio.

Le superfici limite degli orbitali molecolari sono sempre policentriche, abbracciando tutti i nuclei della molecola. Gli elettroni sono considerati delocalizzati su tutta la molecola, quindi...

ciascunelettrone contribuisce a tenere insieme tutti i nuclei della molecola.

1. Orbitale di legame: quello con energia più bassa di tutti gli orbitali atomici (concentra gli elettroni nella zona tra due nuclei).
2. Orbitale di anti-legame: ha energia maggiore degli altri orbitali atomici (elettroni all’esterno della zona inter-nucleare).

Risonanza tra formule limite: si ha quando si può distribuire gli elettroni in modo diverso tra una formula limite e l’altra. La formula ottenuta è detta “ibrido di risonanza” tra le due formule limite.

La formula con meno separazione di carica, ovvero con minore energia è quella più stabile e che si avvicina maggiormente alla formula vera. Nel caso ce ne siano due con la medesima quantità di energia si sceglie quella con la carica formale negativa sull’atomo più elettronegativo. Per sapere le energie si segue il concetto di carica formale: differenza tra il numero di elettroni

dell'atomo isolato ed il numero di elettroni attribuitogli in una formula struttura. Composti di coordinazione: elemento centrale forma un numero di legami σ maggiore del suo numero di ossidazione. Donatore: atomo che mette in compartecipazione la coppia elettronica. Legante: la molecola o ione a cui appartiene il donatore. Il numero di atomi a cui è legato l'atomo centrale di un composto di coordinazione si chiama numero di coordinazione; se il donatore dona la coppia elettronica caratterizza il legame di coordinazione. Leganti con un donatore si dicono "mono-dentati", con più donatori "poli-dentati". Isomeri: composti con stessa composizione o formula molecolare, ma diversa formula di struttura. Nell'isomeria geometrica gli atomi occupano nella molecola posizioni diverse, ma riconoscibili se riferiti a entità geometriche. Numero di coordinazione: numero massimo di anioni che si possono mettere a contatto con un catione.dipende dalle dimensioni degli ioni. Il raggio dello ione più piccolo diviso per il raggio dello ione più grande (rapporto del raggio del catione/raggio dell'anione) serve per determinare nel reticolo quanti anioni sono intorno al catione e viceversa. NB: la geometria di coordinazione disporrà di ioni con lo stesso segno il più lontano possibile gli uni dagli altri. LEGAME IONICO: si forma per il trasferimento di uno o più elettroni da un atomo poco elettronegativo ad uno con elettro-negatività maggiore. Avviene quando la differenza di elettro-negatività è molto elevata. Ioni positivi e negativi interagiscono elettrostaticamente e si viene a formare un legame perché l'attrazione tra cariche opposte prevale sulla repulsione tra cariche uguali. Le forze elettrostatiche sono uguali in tutte le direzioni, quindi il legame ionico non è direzionale. In sostanza, gli ioni di segno opposto si dispongono intervallati nello spazio.conregolarità aggregandosi allo stato solido. Gli ioni negativi sono più grandi degli atomi da cui derivano. I metalli danno luogo a ioni positivi per via della loro bassa energia di ionizzazione ed elettro-negatività; i non metalli sono ioni negativi, con alta energia di ionizzazione ed elettro-negatività. L'energia complessiva dipende dalla carica dello ione e dalla distanza tra ioni: E = k * (Q1 * Q2) / d Dove k = 1 / (4 * π * ε0), Q1 e Q2 sono le cariche degli ioni e d è la distanza tra gli ioni. Il numero di ioni di carica opposta che circondano uno ione dipende da fattori geometrici. Principio del massimo impacchettamento: la geometria di un composto ionico rende massima l'energia reticolare (costante di Madelung). Ogni ione deve essere circondato dal massimo numero di ioni di segno opposto e la distanza tra ione positivo e negativo deve essere la minima possibile. Costante di Madelung: dipende solo dal tipo di reticolo e dalla posizione geometrica.dalla carica e dalla dimensione dell'azione. Ad esempio, un catione con una carica di +2 potrebbe avere un numero di coordinazione massimo di 4, mentre un catione con una carica di +3 potrebbe avere un numero di coordinazione massimo di 6. La dimensione dell'azione influisce anche sul numero di coordinazione, poiché un catione più grande può ospitare più anioni intorno a sé. In generale, il numero di coordinazione è determinato dalla geometria della struttura cristallina e dalle forze di attrazione tra i cationi e gli anioni.