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- anche due

ore a disposizione. Possibilità di utilizzo di tavola periodica ( da portare noi). Comprare modelli molecolari

Presentazione del corso

SLIDE 1: CHE COS’E’ 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 1770 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 di

ammonio (proveniente dal mondo minerale) in urea→ il che significa che il mondo

minerale si può trasformare nel mondo animale e vegetale. Dunque la divisione tra

organica e inorganica è di comodo.

SLIDE 3

SLIDE 4 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 Interazione tra atomi che consentono 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 steso 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 ad 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. Tendenzialmente

quello che segue.

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:

1. Cariche di segno opposto si attraggono

2. Cariche uguali si respingono

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

1

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.

ES. gli atomi hanno un idolo al quale tendere. L’atomo di carbonio vuole assomigliare al neon. Il neon vive da atomo ed (è

immutato) ciò vuol dire che è già a un livello di energia basso. Io atomo di carbonio devono realizzare questo percorso di

stabilizzazione quindi mi combino 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 si 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 si 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 10mila

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 gli elettroni si trovano nelle orbite. In questi percorsi sempre più ampi man mano che ci allontanava dal nucleo, c’era

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 libello 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 perchè 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 cioè2.

➢ 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 23 La prima riga corrisponde alla prima orbita e ci sono due freccette che

rappresentano gli elettroni. Frecce di senso opposto (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 NH 3

• 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 2

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 è allo stesso livello energetico del neon

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

SLIDE 4 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 Kekulè 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 H O nella molecola dell’acqua ci sono due

2

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 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 difronte al legame covalente polare.

• Abbiamo estremizzato questa situazione partendo dagli studi condotti da Pauling il quale diceva fai attenzione perchè

quando questa differenza di elettronegatività è superiore a 1.9-2 parlare di legame covalente polare non è propriamente

corretto perchè parlare di 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

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. 3

SLIDE 8 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!

ES. LEGAME COVALENTE POLARE 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 1→

all’idrogeno basta un atomo di cloro, al cloro 1 atomo di idrogeno. Elettronegatività tra i due elementi non è uguale.

ES LEGAME IONICO sodio 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 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? FIGURA B

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-

ES. 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 nn ha l’elettrone perché si è allontanato ma lui se lo riprende. Si tratta di momenti. H- Cl

SLIDE 9Interazioni 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 Ca 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 raffredd