struttura e legame delle molecole

STRUTTURA e LEGAME

ORBITALE s: Ha una densità elettronica sferica. Ha un'energia più bassa rispetto agli altri orbitali. La probabilità di trovare un elettrone vicino al nucleo è 1.

ORBITALE p: Ha una forma a due lobi. Presenta uno nodo di densità elettronica in corrispondenza del nucleo. Ha energia più alta rispetto all'orbitale s.

nucleo, non c'è densità elettronica qui

Gli orbitali p sono 3 e sono orientati nei tre assi spaziali (x, y, z).

Ogni elemento della seconda riga presenta quattro orbitali disponibili ad accettare elettroni:

• un orbitale 2s
• tre orbitali 2p

Gli elettroni più esterni sono chiamati ELETTRONI DI VALENZA; essi determinano le proprietà di un elemento.

LEGAME IONICO: è il legame che si realizza quando un atomo a bassa energia di ionizzazione si combina con un atomo ad elevata affinità elettronica. Il legame si produce come conseguenza dell’attrazione elettrostatica che si manifesta tra i due ioni di carica opposta. L’attrazione tra cariche di segno opposto non si sviluppa solo in un’unica direzione ma agisce uniformemente in tutte le direzioni con simmetria sferica.

LEGAME COVALENTE: si presenta tipicamente tra atomi con elevata affinità elettronica. Può essere:

• Puro: elettroni condivisi che presentano una nuvola negativa che si dispone in maniera uniforme e simmetrica intorno ai due nuclei senza produrre alcun tipo di polarità nella molecola.
• Polare: elettroni condivisi da atomi dello stesso elemento.

La lunghezza dei legami covalenti è correlabile al raggio covalente degli elementi; esso corrisponde alla metà della lunghezza del legame covalente singolo che tiene uniti due atomi del medesimo elemento in una molecola neutra. La teoria del legame di valenza interpreta la formazione del legame covalente mediante il concetto quantomeccanico di orbitale.

Esempio:

Nitrito di metile: CH₃NO₂

1. Numero di valenza:
   • C = 4
   • H = 1 x 3
   • N = 5
   • O = 6 x 2

   TOTALE 24 e^-

2. Dispone gli atomi

H | H-C-O-N-O | H

3. Aggiungi le coppie solitarie

H | H-C-O-Ṅ-Ö | H

4. Studia la struttura e costruisci i giusti legami

H | H-C-Ö-Ṅ=Ö | H

SPIEGAZIONE: Il primo ossigeno presenta due legami e due coppie solitarie. L’azoto può formare 3 legami; pertanto avrà solo una coppia solitaria. Il secondo ossigeno compie un doppio legame con l’azoto e presenta solo due coppie solitarie.

La carica è delocalizzata su atomi di ossigeno e azoto.

Le strutture di Lewis possono essere utilizzate per determinare

la forma di una molecola intorno a un particolare atomo. Le

due variabili che definiscono la struttura di una molecola

sono:

1. LUNGHEZZA DI LEGAME: è definita come la distanza

   media tra i centri di due nuclei legati.

   Sono tipicamente riportate in Angstrom, dove 1 Å = 10^-10 m.

   La lunghezza di legame diminuisce lungo una riga

   della tavola periodica con la diminuzione della dimensione

   dell'atomo.

   →

   La lunghezza di legame aumenta

   colonna della tavola periodica con l'aumento della

   dimensione dell'atomo.

   ↓

2. ANGOLO DI LEGAME: determina la forma intorno a ogni

   atomo legato ad altri atomi.

   Il numero di gruppi che circonda un particolare atomo

   determina la sua geometria. (Un gruppo è sia un atomo

   sia una coppia solitaria di elettroni.) La disposizione

   più stabile tiene questi gruppi il più possibile distanti

   l'uno dall'altro. Questo è descritto nella teoria

   VSEPR. Un elemento della seconda riga ha solo

   tre possibili disposizioni:

Ibridazione

Idrogeno: due atomi di idrogeno condividono ognuno il loro elettrone per formare H₂. Così l'orbitale 1s di un H si sovrappone all'orbitale 1s dell'altro H per formare una legame che avviene la densità elettronica fra i due nuclei.

Metano: Il carbonio ha due elettroni interni più quattro elettroni di valenza. Per riempire gli orbitali atomici nella configurazione più stabile, gli elettroni sono disposti negli orbitali a più bassa energia. Questa caratteristica prende il nome di stato fondamentale.

Il carbonio dovrebbe formare solo due legami poiché ha solo due elettroni di valenza spaiati e CH₄ dovrebbe essere una molecola stabile. In realtà CH₄ è una specie altamente reattiva che non può essere isolata. L'aumento di un elettrone da un orbitale 2s a un orbitale 2p darebbe origine a quattro elettroni spaiati per formare legami. Questo processo, detto stato eccitatorio, richiede energia perché sposta un elettrone su un orbitale a energia più elevata.

Il carbonio formerebbe due diversi tipi di legame: tre con gli orbitali 2p e uno con l'orbitale 2s. Prove sperimentali evidenziarono che nel metano il carbonio forma quattro legami identici. Atomi come il carbonio non usano orbitali puri s e p bensì un insieme di nuovi orbitali detti ibridi. Questi orbitali ibridi sono chiamati sp³ perché sono formati da un orbitale s e tre orbitali p.

ETANO: CH₃CH₃

Ogni atomo di carbonio è legato singolarmente con altri quattro atomi. Ne risulta che:

• Il carbonio è tetraedrico
• Ogni carbonio è ibridato sp³

Tutti i legami nell'etano sono legami σ. I legami C-H sono formati dalla sovrapposizione dei 3 orbitali ibridi Csp³ con H_s.

Il legame C-C è formata dalla sovrapposizione di un orbitale ibrido sp³ su ogni atomo di carbonio.

Intorno al legame σ centrale C-C c’è libera rotazione.

ETILENE: CH₂=CH₂

Ogni atomo di carbonio ha un legame singolo con due H e un legame doppio con l'altro atomo C. Ne risulta che:

• Il carbonio è triangolare planare
• Ogni carbonio è ibridato sp²

120°

Elettro negatività e polarità del legame

L'elettro negatività è una misura dell'attrazione di un atomo per gli elettroni in un legame. Essa aumenta lungo una riga e diminuisce lungo una colonna della tavola periodica.

I valori di elettro negatività sono usati come riferimento per indicare se gli elettroni in un legame sono equamente condivisi o non equamente condivisi. Quando due atomi identici sono legati insieme, ognuno dei due attrae gli elettroni presenti nel legame nella stessa entità. Gli elettroni sono condivisi e il legame è detto non polare. (I legami C-H sono considerati non polari a causa della piccola differenza di elettronegatività).

Il legame tra atomi con valori di elettro negatività diverso ha come risultato la condivisione diseguale di elettroni. Il legame è detto polare.

Polarità delle molecole

Per determinare se una molecola ha un dipolo risultante, è necessario seguire una procedura:

1. Utilizzare le differenze di elettro negatività per identificare tutti i legami polari e le direzioni dei dipoli di legame. Un legame è considerato polare quando la differenza di elettro negatività è ≥ 0,5.
2. Determinare la geometria intorno ai singoli atomi contando i gruppi e stabilire se i dipoli si elidano o si rafforzano nello spazio.