Chimica organica

Prima lezione: 28 gennaio

Esame

- 6 domande con risposte multiple (tempo 10 minuti) ognuna di 3 punti; se si fanno bene tutte si arriva a 18.
- La seconda parte consiste in due domande con risposta aperta di almeno mezza pagina, ognuna di 6 righe, con due ore a disposizione.
- Possibilità di utilizzo di tavola periodica (da portare noi).
- Comprare modelli molecolari.

Presentazione del corso

Slide 1: Che cos'è la chimica organica?

Bisogna avvicinarsi al 700 quando inizia a esserci la ricerca della razionalità per poi arrivare all'800 che è un secolo pazzesco. Torbern Bergman nel 1770 presenta la teoria che distingue tra:

• Chimica organica: composti derivanti dal mondo vegetale ed animale
• Chimica inorganica: composti derivanti dal mondo minerale

Slide 2: Friederich Wöhler 1828

Dimostra che è possibile trasformare il cianato diammonio (proveniente dal mondo minerale) in urea. Questo significa che il mondo minerale si può trasformare nel mondo animale e vegetale, rendendo la divisione tra organica e inorganica di comodo.

Slide 3

Gli istogrammi stanno ad indicare l'abbondanza di elementi che sono tipici di quelle sostanze che noi possiamo definire composti organici. La chimica organica è lo studio dell'elemento carbonio, idrogeno, azoto (N), fosforo (P), fluoro, cloro, bromo, iodio, ossigeno, zolfo, silicio.

Grafite → solo carbonio; materiale in cui trovo solo esclusivamente idrogeno e carbonio → petrolio greggio

Capitolo 1

Prima parte: Slide 1 Modello di Bohr-Sommerfeld

Gli atomi sono costituiti da un nucleo piccolo e denso, circondato da elettroni. Il nucleo è carico positivamente e in esso è concentrata la maggior parte della massa atomica. Esso è formato da protoni, che sono positivi, e da neutroni, che sono neutri. Consiste di un solo protone. Nell'atomo neutro, la carica positiva del nucleo è bilanciata esattamente dalla carica negativa degli elettroni che lo circondano.

Il chimico gestisce solo gli elettroni e il loro modo di vivere. Conoscendone il numero e la disposizione è possibile prevedere come un certo atomo reagirà con gli altri atomi per formare le molecole. Il legame chimico è l'interazione tra atomi che consente a una molecola di poter avere una sua esistenza, cioè avere stabilità per poterla gestire e sfruttare le proprietà chimico-fisiche.

Quando due atomi si avvicinano tra di loro, il nucleo carico positivamente del primo atomo attrae gli elettroni del secondo atomo; allo stesso modo, il nucleo del secondo atomo attrae gli elettroni del primo atomo. Ne risulta che i nuclei sono trattenuti dagli elettroni situati tra loro. In altri termini, a mascherare le cariche positive, cioè a impedire che i nuclei si sentano, sono gli elettroni. Il legame chimico deriva dalla condivisione degli elettroni. È una nebbia.

Ricorrono al legame chimico gli elementi di un sistema periodico diversi dai gas nobili per stabilizzarsi, ovvero essere allo stesso livello di energia dei gas nobili, per avere lo stesso e identico portafoglio di elettroni dei gas nobili di riferimento.

Se gli atomi si combinano nelle molecole seguono un percorso tale per cui perdono energia. Formare le molecole significa stabilizzarsi dal punto di vista dell'atomo. Perché? Le due cause principali di rilascio di energia associata alla formazione di un legame si basano sulla legge di Coulomb (=cariche opposte si attraggono tra di loro con una forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i centri delle cariche) sulla carica elettrica:

• Cariche di segno opposto si attraggono
• Cariche uguali si respingono

Slide 2: Configurazione elettronica

Se gli atomi sono troppo vicini, le repulsioni elettrone-elettrone e nucleo-nucleo diventano più forti delle forze attrattive. Quando i nuclei sono separati dalla lunghezza di legame appropriata, gli elettroni si estendono attorno a entrambi i nuclei e le forze attrattive e repulsive si bilanciano al massimo formando il legame. Il contenuto energetico di un sistema di due atomi è al minimo; questa è la situazione più stabile.

Esempio: gli atomi hanno un idolo al quale tendere. L'atomo di carbonio vuole assomigliare al neon. Il neon vive da atomo ed è immutato, il che vuol dire che è già a un livello di energia basso. Gli atomi di carbonio devono realizzare questo percorso di stabilizzazione quindi si combinano con qualcos'altro.

Il modello di Bohr-Sommerferld non dà solo un'informazione qualitativa (=il legame è costituito da carica negativa cioè condivisione di elettroni) ma quantitativa, cioè quanti atomi intervengono a formare la molecola. Questo modello vedeva il nucleo costituito da protoni il cui numero aumenta, aumenta, aumenta; quando aumenta eccessivamente il numero di protoni, il nucleo dovrebbe distruggersi perché è tutta carica positiva. Ma che cos'è che fa sì che i nuclei stiano insieme nonostante il numero di protoni sia grande? L'intervento dei neutroni. I neutroni non hanno carica ma mettono in campo l'interazione tra masse, cioè fanno da cemento nel nucleo, fanno sì che i protoni siano vincolati in uno spazio limitato.

Perché i protoni stanno nel nucleo e all'esterno gli elettroni e non viceversa? I protoni sono più pesanti degli elettroni (pesano 10 mila volte in meno) che, essendo più leggeri, tendono ad occupare più spazio perché hanno una mobilità enorme. Ma allora perché gli elettroni non sfuggono dall'atomo? Interviene la forza attrattiva, ad attirare gli elettroni sono i protoni (carica opposta). Il volume è determinato sostanzialmente dallo spazio occupato dagli elettroni.

Slide 3: Orbite elettroniche

Gli elettroni si trovano nelle orbite. In questi percorsi sempre più ampi man mano che ci si allontana dal nucleo, c'è un numero ben preciso di elettroni che potevano ospitare. Ricordiamo che l'interazione tra elettrone e protone rappresenta un livello di energia. Gli elettroni non sono tutti uguali. Il livello energetico di questi elettroni e quanti si trovino allo stesso livello è dettato dalla modelizzazione matematica alla base di quel modello e che assomiglia a quello che descrive le interazioni tra pianeti. Di qui nasce la configurazione elettronica.

I gas nobili tendono a vivere come atomi e quindi a loro non importa nulla di combinarsi con altri atomi perché raggiungono il riempimento massimo possibile nelle orbite.

• Elio: ha 2 protoni e 2 elettroni; un'unica orbita e hanno messo due elettroni
• Neon: tre orbite; in quella più interna troviamo 2 elettroni esattamente come l'elio, poi un'altra orbita che contiene 2 elettroni e la terza orbita dove ci sono 6 sferette.

Il primo elemento del sistema periodico che è l'idrogeno (ha un protone e un elettrone) ha come obiettivo di diventare elio, ovvero avere lo stesso portafoglio di elettroni che ha l'elio cioè 2.

• Tutti gli elementi sulla seconda riga (a noi interessano carbonio, ossigeno, azoto, fluoro) si combinano con gli altri atomi in modo tale di avere la stessa situazione che ha il neon e cioè avere: due elettroni nell'orbita più interna, 2 elettroni sulla seconda orbita e 6 sulla terza orbita.

Slide 4: Legame chimico e stabilità

La prima riga corrisponde alla prima orbita e ci sono due freccette che rappresentano gli elettroni. Frecce di senso opposto (gli elettroni girano su se stessi quindi frecce opposte vogliono dire uno gira in un verso, l'altro nell'altro verso). I 3 trattini sono allo stesso livello, il che vuol dire che i 6 elettroni hanno la stessa energia, il che vuol dire che passando da un'orbita all'altra dall'interno all'esterno l'energia degli elettroni aumenta.

Questo dato era insito già nella teoria di Bohr-Sommerfeld, infatti si usavano sfere via via più grandi. Quando l'atomo di un elemento si combina con l'atomo di un elemento uguale o diverso, mette insieme il portafoglio di elettroni e la molecola ha di per sé lo stesso portafoglio di elettroni del gas nobile.

• Molecola idrogeno: è costituita da due atomi di idrogeno, un atomo di idrogeno ha un elettrone, l'altro atomo di idrogeno ha un elettrone; entrambi vogliono assomigliare all'elio, e allora il fatto di stare vicini e vicini vuol dire che l'entità molecola ha il numero di elettroni uguale a quelli dell'elio.
• Molecola acqua: atomo di ossigeno ha numero atomico pari a 8 (numero di elettroni=numero di protoni) qual è il suo ideale? Il neon che ha 10. Con quanti atomi di idrogeno si combina? Due.
• Molecola ammoniaca: azoto numero atomico 7 deve avere 10 elettroni. Se è l'idrogeno che lo aiuta a diventare molecola con quanti atomi di idrogeno si combina? 3 molecola dell'ammoniaca NH₃.
• Molecola del metano: contiene 1 atomo di carbonio che ha numero atomico 6, portafoglio ideale 10. Un atomo di carbonio con quanti atomi di idrogeno si combina? 4.

Nel momento in cui si forma la molecola acqua, ammoniaca, metano è allo stesso livello energetico del gas nobile di riferimento.

• Molecola dell'acqua è allo stesso livello di energia dell'elio.
• L'ammoniaca e il metano sono allo stesso livello energetico del neon.

Nel formare la molecola, carbonio, ossigeno, idrogeno si stabilizzano.

Slide 4: Rappresentazione del legame

Il legame viene rappresentato in modo del tutto simbolico con un trattino. Questo è il frutto di una discussione avvenuta nel mondo accademico tra due scuole che si contrapponevano:

• Quella di Kekulé usava il trattino
• Quella di Lewis usava i due pallini (oggi spesso utilizzati per rappresentare il doppietto elettronico non condiviso)

Entrambi hanno lo stesso significato ovvero di coppia di elettroni. La quantità minima di elettroni per costituire il legame è due. Un altro modo per indicare l'esistenza di un legame chimico è utilizzare numeri che accompagnano delle lettere: i numeri indicano il numero degli atomi di un certo elemento che troviamo nella molecola H₂O nella molecola dell'acqua ci sono due atomi di idrogeno e uno di ossigeno → formula molecolare.

Le interazioni tra atomi a costituire le molecole sono tra le interazioni più forti, tant'è che se si vuole separare nella molecola di idrogeno i due atomi di idrogeno bisogna fornire al sistema circa 100Kcal per mole.

• Interazioni intramolecolari che possiamo tradurre in:
  • legame covalente puro (il legame covalente circa 100kcal/mol: il più forte)
  • legame covalente polare
  • legame ionico
• Interazioni intermolecolari:
  • legame a idrogeno circa 10 kcal/mol
  • interazioni dipolo dipolo permanenti 10 kcal/mol
  • interazioni dipolo dipolo temporanei o forze di Van der Waals circa 1 kcal/mol

La chimica organica, oltre ad essere lo studio del legame covalente puro e polare, è lo studio delle interazioni dipolo dipolo permanenti/temporanei e un pochino idrogeno.

Slide 7: Elettronegatività

L'elettronegatività è una proprietà nucleare importante. È l'affinità che il nucleo di un certo elemento ha nei confronti degli elettroni. Se il numero è tanto più grande la colonna è tanto più alta, aumenta andando dal basso verso l'alto, da sinistra verso destra.

Abbiamo aggiunto a questo punto al legame covalente (=deriva dalla condivisione di elettroni) un aggettivo che è:

• Puro nel momento in cui la differenza di elettronegatività sia uguale o tendente a zero quindi la densità elettronica è egualmente ripartita tra i due nuclei.
• Al contrario, se i due nuclei presentano elettronegatività diversa, siamo di fronte al legame covalente polare.

Abbiamo estremizzato questa situazione partendo dagli studi condotti da Pauling il quale diceva di fare attenzione perché quando questa differenza di elettronegatività è superiore a 1.9-2, parlare di legame covalente polare non è propriamente corretto perché la densità di carica negativa è talmente spostata sull'elemento più elettronegativo che è più corretto parlare di legame ionico.

In questa rappresentazione del sistema periodico viene proprio messo in evidenza come l'atomo di idrogeno sia nel posto sbagliato. Mendeleev crea la tavola degli elementi in ordine in base alla reattività. Quella è la posizione dell'idrogeno (in cima ai metalli alcalini) per Mendeleev perché l'idrogeno esattamente come i metalli alcalini ha 1 come valenza.

Mendeleev non sapeva che una certa proprietà di un elemento poteva essere descritta attraverso l'elettronegatività perché l'elettronegatività fu introdotta da Pauling. Quando Pauling calcola l'elettronegatività dell'idrogeno (2.1), molto più elettronegativo dei metalli alcalini, infatti, la sua collocazione, non sulla base della reattività ma dell'elettronegatività, corretta sarebbe tra il borio e il carbonio.

Slide 8: Legame covalente polare

In modo grafico si utilizza questa forma "a pera" con la parte più grande attorno al nucleo più elettronegativo. Ma poco pratica quindi si utilizza il trattino con l'indicazione del delta perché c'è uno sbilanciamento della densità (δ) di carica negativa figlia della condivisione di una coppia di elettroni. Il segno positivo (+) sull'elemento meno elettronegativo.

Esempio legame covalente polare:

L'acido cloridrico è un gas costituito da molecole in cui l'idrogeno è combinato con il cloro. Sistema periodico: idrogeno ha 1 elettrone a disposizione, il cloro è un alogeno; per arrivare al gas nobile che sta vicino, all'idrogeno basta un atomo di cloro, al cloro 1 atomo di idrogeno. L'elettronegatività tra i due elementi non è uguale.

Esempio legame ionico:

Il sodio ha un'elettronegatività di 0.9 e lo combino con il cloro che è 3; sono oltre 2 di differenza di elettronegatività secondo Pauling, il legame è talmente polarizzato che si chiama legame ionico. Strappa l'elettrone che ha il sodio e il sodio pur di assomigliare al gas nobile che lo precede molla l'elettrone - legame da covalente polare diventa ionico. Dunque si assiste a un trasferimento di un elettrone da un atomo all'altro e ne consegue la formazione di due ioni carichi: uno positivamente, il catione, e l'altro negativamente, anione.

Seconda lezione: 29 gennaio

A livello di singolo legame si parla di momento dipolo = parametro chimico fisico che si può misurare. È dal momento in cui si è imparato a misurare il momento di dipolo del legame e poi quello molecolare, che è sostanzialmente la somma vettoriale dei momenti di dipolo dei legami, che è stata messa in crisi la teoria di Bohr-Sommerfeld. Il momento di dipolo è un vettore che avrà una freccia che punta all'elemento più elettronegativo.

Il momento di dipolo è dato dal prodotto della distanza e la carica ossia quel delta, inteso come carica. A seconda di quanto è grande il delta io avrò una certa frazione e quel numero sarà moltiplicato per un numero che va da 1 a 0. Man mano che cresce la differenza di elettronegatività e mi mantengo nella situazione del legame covalente polare quel numero che moltiplico per la carica (d) tende a 1. Quando è uguale a 1 ho il legame ionico. Nel caso del legame covalente polare non c'è praticamente il momento dipolo.

Se le molecole hanno un momento di dipolo io posso parlare di interazioni tra molecole (intermolecolari). Il carbonio tende a formare quattro legami. Come lo scrivo?

Una prima proprietà fisica da considerare è la volatilità = tendenza a passare da uno stato liquido a uno stato gassoso. Se ci sono dei momenti di dipolo permanenti la molecola tende ad essere poco volatile.

Na⁺Cl^-:

Esempio: Cloruro di sodio da dove nasce questa carica positiva e negativa? Fino ad ora abbiamo parlato di carica negativa con gli elettroni ma questa carica positiva nasce, invece, dal nucleo. Nel nucleo abbiamo un certo numero di protoni. In un atomo il numero di protoni è bilanciato da quello degli elettroni. Se un elettrone del sodio va a passare del tempo vicino al cloro è evidente che dal punto di vista del nucleo del sodio abbiamo uno sbilanciamento tra il numero di elettroni e protoni.

Lo scrivere quella carica positiva sta a indicare che sul sodio abbiamo un protone che ha perso il suo compagno di merende cioè l'elettrone. C'è stato uno sbilanciamento tra numero di protoni e elettroni. Noi scriviamo un + anche se sul sodio di protoni ce ne sono tanti ma con quel + andiamo a enfatizzare quel protone che ha perso il suo compagno di merende.

[Slide]: Quando noi mettiamo il delta sta ad indicare = fai attenzione perché è un legame covalente, legame che assomiglia un po' al legame ionico, quell'elettrone dell'idrogeno che tende a stare sul cloro sta vicino al cloro molto di meno che nel caso del cloruro di sodio. In questo caso non c'è esattamente un protone che ha perso l'elettrone, ma ci sono momenti in cui il protone non ha l'elettrone perché si è allontanato ma lui se lo riprende. Si tratta di momenti. H-Cl

Slide 9: Interazioni dipolo-dipolo permanenti

Interazioni dipolo-dipolo permanenti quando c'è una parziale carica positiva e negativa a livello intermolecolare che cosa succede? Figura A: la parziale carica negativa del cloro cercherà di avvicinarsi alla parziale carica positiva dell'idrogeno e quindi si instaurano quelle che si chiamano interazioni dipolo-dipolo permanenti che fanno sì che la molecola non sia tanto volatile, cioè favoriscono degli stati condensati. Permanenti? Si usa questo termine perché se io isolo la singola molecola quel delta + e delta - persiste comunque sempre.

Interazioni di Van der Waals: quando si ha una molecola che non presenta un momento di dipolo, dal momento che ha un legame come la molecola dell'idrogeno, FIGURA C: il trattino mi indica un legame covalente puro perché gli atomi sono uguali e allora come è possibile che esista l'idrogeno liquido? Cosa succede se io raffreddo?