Appunti di chimica

LEGAME COVALENTE

Avviene ogni volta che una coppia di atomi mettono in compartecipazione una coppia di elettroni. Gli elettroni predisposti per il

legame sono quelli più esterni.

Prendiamo in considerazione la molecola biatomica di idrogeno considerando i due atomi di idrogeno prima a distanza

2 2

infinita. In queste posizioni i i due nuclei non risentono del campo di potenziale reciproco e l’energia del sistema è .

Quando però si avvicinano i nuclei risentono della forza attrattiva dei due elettroni in gioco e della forza repulsiva reciproca.

− −

Quindi ed saranno attratti da entrambi i nuclei e i nuclei risentiranno una repulsione reciproca come di fatto anche gli

elettroni tra loro.

Il minimo di energia si ha alla distanza di legame (circa 1Å).

Il surplus di energia viene liberato sottoforma di calore.

Maggiore è la variazione di energia (quindi minore è l’energia del

sistema) e più è forte il legame e più stabile sarà l’atomo.

Reazione di tipo esotermico (rilascio di calore).

La condivisione degli elettroni avviene con la sovrapposizione degli

orbitali che ospitano la coppia di elettroni predisposti al legame.

Gli elettroni saranno con spin antiparallelo e l’orbitale sarà un orbitale molecolare.

Il legame covalente permette la rotazione di un atomo intorno all’asse che

congiunge i nuclei. .

Il legame singolo ha simmetria rotazionale e viene indicato con la lettera greca La

regione di sovrapposizione degli orbitali non cambia.

− → → 2

= → → 4

≡ → 2 → 6

> >

Esempi

→ non-metallo+non-metallo→ legame covalente

1

→ 1 1s Elettroni messi in compartecipazione

2 5

→ 2 2 2s 2p

H F

Sovrapposizione dei due orbitali lungo l’asse che congiunge i nuclei.

Gli elettroni che non hanno partecipato al legame sono detti coppie di non legame.

2 2 4

→ 2 2 Coppie di elettroni mutuamente perpendicolari

Non ha simmetria rotazionale

A ogni atomo di ossigeno rimangono due coppie di non legame.

Le specie biatomiche hanno geometria lineare ma quelle triatomiche?

La geometria delle molecole di un materiale ne determina le caratteristiche e le proprietà.

Ci sono due tipo di legami covalenti possibili:

Legame covalente PURO→ non metallo + non metallo

Elementi con una differenza di elettronegatività minore o uguale a 0,4

Legame covalente POLARE→ non metallo + non metallo

Elementi con una differenza di elettronegatività maggiore di 0,4 ma minore o uguale di 1,7.

Proprietà della molecola d’acqua

Le molecole di acqua sia allo stato liquido che allo stato solido sono tenute insieme da legami o ponti a idrogeno che

determinano la distanza tra le molecole stesse. Allo stato solido i ponti a idrogeno sono rigidi e obbligano le molecole ad

orientarsi secondo uno schema preciso e allineato, lasciando quindi molto spazio tra le molecole da cui ne consegue una minore

densità. Questo è il motivo per cui il ghiaccio galleggia sull’acqua.

2 1

→ 1 1s

1

→ 1 1s

2 4

→ 2 2

Dal dato teorico ricaviamo che l’angolo tra O e H è di 90°.

Sperimentalmente misuriamo l’angolo tra O e H di 105°

e quindi da qu deduciamo che il modello basato sulla

sovrapposizione degli orbitali esterni non è più corretta

per molecole triatomiche.

Dobbiamo quindi ricorrere al modello dell’ibridazione.

Gli elettroni dei gusci esterni subiscono un’ibridazione. Orbitali ibridi generati dalla combinazione lineare degli orbitali atomici.

Esempi

→ tetraedro regolare con C al centro

4

Gli angolo tra C e H sono tutti di 109°

1

→ 1 1s

1

→ 1 1s

1

→ 1 1s

1

→ 1 1s

2 2

→ 2 2

ibridazione Quattro orbitali “misti” aventi tutti lo stesso

contenuto energetico ma diversa orientazione

nello spazio

→ triangolo equilatero con B al centro

3 2 1

→ 2 2

ibridazione ogni elettrone del Boro verrà messo in

Compartecipazione con l’elettrone

2 5

→ 2 2 spaiato del Fluoro.

→ geometria lineare

2 2

→ 2

ibridazione

2 5

→ 3 3

Gli orbitali di tipo σ servono per i legami singoli o per le coppie di non legame. 3

Adesso supponiamo che nella molecola di acqua gli orbitali di O siano ibridati : le due coppie di elettroni liberi si respingono

con più forza rispetto alle coppie di legame allontanandosi e formando quindi l’angolo di 105°.

n orbitali atomici→ n orbitali ibridi

2 3

(6) } ≥ 3

→ atomi con (dal terzo periodo in poi)

3

(5)

3

(4) 2

(3) Numero crescente di orbitali puri

(2)

Ibridazioni:

→ lineare

2

→ triangolo equilatero

3

→ tetraedro regolare

VSEPR

Valence shell electron pairs repulsion

Gli elettroni devono disporsi alla massima distanza possibile gli uni dagli altri a causa della repulsione elettrica, quindi se sono

due sarà un angolo di 180°, se sono 3 un angolo di 120°, se sono 4 di 109°...

Se gli elettroni sono 5 si disporranno ai vertici di una bipiramide triangolare (due piramidi a base triangolare affacciando le basi).

Se gli elettroni sono 6 si disporranno ai vertici di un ottaedro (due piramidi a base quadrata affacciate per la base).

() ()

+ → dell’atomo centrale per risalire alla sua ibridazione e alla geometria della molecola di cui fa parte.

Lp→ elettroni liberi (coppie di non legame).

Con un legame π delocalizzato si ha l’effetto di risonanza del legame.

Carica formale→ differenza tra numero di elettroni esterni che compete ad un atomo e il numero di elettroni assegnati per fare

il legame.

|

∑|. . =

∑ . . = 0 → è

Elettronegatività → tendenza che una specie ha di attrarre su di sé gli elettroni di legame.

+δ -δ

− → legame covalente polare

H→ parziale carica positiva

Cl→ parziale carica negativa (perché Cl più elettronegativo di H)

+q -q → dipolo

d

⃗

⃗ = → momento di dipolo

⃗ = 0→ molecola apolare

⃗ ≠ 0→ molecola polare

LEGAME IONICO

Tra elementi caratterizzati da una notevole differenza di elettronegatività.

∆ ≥ 1,9

Interessa tipicamente metalli e non-metalli.

∆ →

0 x

à 1,9

→ →

Covalente Covalente

puro polare

( , )

( )

2, 2 2 2

Il legame ionico non è un legame direzionale ma a direzionale, ogni ione forma un campo di potenziale di forma sferica.

Legame forte→ alte temperature di fusione, i solidi ionici sono duri ma fragili, sono isolanti elettrici.

+ +

−

1

+ −

→ + → + Processo esotermico

() () ()

2()

2 E ion AE (a rilascio di calore)

− Ciclo di Born-Haber

+ − + −

+ → ()

Maggiore è E reticolare e più forte è il legame.

LEGAME METALLICO

Coinvolge i metalli (elementi caratterizzati da bassa energia di ionizzazione).

Sono conduttori elettrici e termici.

Conducibilità elettrica diminuisce all’aumentare della temperatura.

Conducibilità elettrica dipende anche dalla purezza del metallo.

Gli ioni sodio positivi nella struttura cristallina immersi in un mare elettronico di elettroni delocalizzati.

Caso estremo di legame covalente con una delocalizzazione completa di tutti gli elettroni esterni.

Legame covalente→ 150/1100 ⁄

Energie che competono a ciascun legame

Legame ionico→ 400/4000 ⁄

Legame metallico→ 75/1000 ⁄

Interazioni molecolari

❖ Dipolo istantaneo-dipolo indotto→ interazione molto debole (0,05/40 )

⁄

Può accadere che in una molecola si venga a formare un dipolo istantaneo che creerà sulla molecola vicina una

separazione di carica speculare rispetto alla prima. Quindi il dipolo istantaneo interagisce con un dipolo indotto.

❖ Dipolo permanente-dipolo indotto→ 2/10 ⁄

Tra molecole polari e apolari.

❖ Dipolo permanente-dipolo permanente→ 5/25 ⁄

Più molecole aventi dipolo permanente interagiscono tra di loro.

❖ Legame a idrogeno/ponte a idrogeno→ 10/40 ⁄

Si forma tra l’idrogeno di una molecola e un atomo di una molecola vicina molto elettronegativo (F, O, N, Cl).

❖ Ione-dipolo→ 40/600 ⁄

Sono le interazioni molecolari più forti (come NaCl in acqua in cui si scioglie).

SOLIDI PARTICELLE LEGAME PROPRIETA’ ESEMPI

COSTITUENTI Legame a H Isolanti elettrici , , ,

Solidi molecolari Molecole Dipolo-dipolo Teneri 2 3

, ,

Temperature di 2 2

fusione basse.

Isolanti elettrici , ,

Solidi ionici Ioni Legame ionico Duri, fragili 3 4

,

Temperature di 3

fusione alte.

Conduttori termici ed , , , ,

Solidi metallici Atomi metallici Legame metallico elettrici , , ,

Teneri e lavorabili

Temperature variabili.

(quarzo) piezoelettrico

Solidi covalenti/ Duri, isolanti elettrici Diamante, grafite,

reticolari atomi Legame covalente (no grafite) quarzo

Temperature di

fusione alte

Solido cristallino→ particel