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A cura di Giuseppe Morandi & Stefania Fanelli Il legame chimico clicca qui per andare avanti.

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1 a cura di Giuseppe Morandi & Stefania Fanelli Il legame chimico clicca qui per andare avanti

2 Si chiama legame chimico ciò che tiene unito un atomo ad un altro e si forma sempre fra almeno due atomi. Per indicare che due atomi sono legati, si interpone un trattino fra i loro simboli (C-C, H-H, ecc). Gli atomi formano legami chimici per raggiungere una configurazione elettronica più stabile, generalmente la configurazione elettronica del gas nobile più vicino, quindi lottetto. I gas nobili, che già hanno raggiunto lottetto, non formano legami chimici. clicca qui per andare avanti

3 Nelle molecole costituite da due atomi (molecole biatomiche) come, per esempio, la molecola dellidrogeno H 2, un solo legame è sufficiente a tenere insieme i due atomi. = Atomo di idrogeno (H) molecola dellidrogeno H 2 clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

4 Nelle molecole costituite da più atomi (molecole poliatomiche) il numero di legami è maggiore. Ad esempio, nella molecola di etano (C 2 H 6 ) costituita da otto atomi, ci sono sette legami: uno fra i due atomi di Carbonio e sei fra gli atomi di Carbonio e Idrogeno. Molecola delletano (C 2 H 6 ) = Atomo di idrogeno (H) = Atomo di carbonio (C) clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

5 LEGAME CHIMICO ED ENERGIA Quando formiamo legami chimici, gli atomi raggiungono una situazione di maggiore stabilità. Questo significa che lenergia totale del sistema costituito dai due atomi legati insieme (a) è minore dellenergia totale del sistema costituito dai due atomi separati (b ). Quindi, quando si forma un legame chimico si libera una certa quantità di energia, mentre se si vuole rompere un legame un legame chimico è necessario spendere una certa quantità di energia. È detta energia di legame la quantità di energia necessaria per rompere una mole di legami del tipo considerato. Tale energia è misurata in KJ. mol -1. ENERGIA (a)(a) (b)(b) clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

6 LEGAME IONICO clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

7 Quando due atomi si avvicinano (un metallo e un atomo di un elemento degli ultimi gruppi), gli elettroni del livello più esterno dellatomo meno elettronegativo passano allatomo più elettronegativo. Questultimo diviene quindi uno ione negativo, mentre laltro atomo diviene uno ione positivo (uno ione è un atomo, dotato di carica elettrica). Fra i due ioni con cariche elettriche opposte si stabilisce unattrazione di tipo elettrostatico che li tiene uniti: questattrazione costituisce il legame. I composti contenenti legami ionici sono chiamati composti ionici (NaCl, MgCl 2, ecc). Un legame ionico si forma fra atomi che hanno una forte differenza di elettronegatività (grandezza introdotta per confrontare rapidamente la forza con cui ogni atomo tiene legati a sé i suoi elettroni), cioè la cui differenza dei valori di elettronegatività è superiore a 1,7. clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

8 Un esempio di composto ionico è il cloruro di sodio (NaCl). Il sodio (Na) appartiene al I gruppo e, quindi, ha un solo elettrone (e - ) esterno; la sua elettronegatività è 0.93, un valore basso. Il cloro (Cl) appartiene al VII gruppo e ha, perciò, sette elettroni esterni; la sua elettronegatività è 3.16, un valore alto. La differenza di elettronegatività (3.16 – 0.93 = 2.23) fra i due elementi supera il valore standard di 1.7, quindi fra i loro atomi si forma un legame ionico e lelettrone dellatomo di sodio passa a quello di cloro. 1 – Latomo di sodio perde il suo elettrone esterno e diventa uno ione positivo 2 – Latomo di cloro acquista lelettrone perduto dal cloro e diventa ione negativo 3 – I due ioni, avendo cariche elettriche di segno opposto, si attirano e restano uniti clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

9 Formazione del legame ionico nel cloruro di sodio (NaCl) 1 – Latomo di sodio perde il suo elettrone esterno e diventa uno ione positivo. Na Na + + e - = Atomo di sodio (Na) clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

10 2 – Latomo di cloro acquista lelettrone perduto dal cloro e diventa ione negativo. Cl + e - Cl - clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

11 Na + + Cl - NaCl = Atomo di sodio (Na) = Atomo di cloro (Cl) 3 – I due ioni, avendo cariche elettriche di segno opposto, si attirano e restano uniti. clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

12 Oltre agli ioni formati da un solo atomo esistono anche ioni negativi molecolari, cioè raggruppamenti di atomi con una o più cariche elettriche diffuse su tutto il gruppo. Esempi comuni sono gli ioni nitrato (NO 3 - ), solfato (SO 4 2- ). Ioni positivi molecolari sono più rari. Tra questi ritroviamo lo ione ammonio (NH 4 + ). Anche questi ioni possono dare luogo a composti ionici, comportandosi esattamente come gli ioni monoatomici. Un esempio è un composto costituito da ioni calcio e ioni nitrato che ha formula Ca(NO 3 ) 2, dove occorrono due ioni nitrato per bilanciare le due cariche positive dello ione calcio. clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

13 CARATTERISTICHE DEI COMPOSTI IONICI I composti ionici sono tutti solidi a temperatura ambiente. Hanno in genere punti di fusione elevati e punti di ebollizione ancora più elevati, per cui è difficile farli passare allo stato di vapore. Ciò indica che lattrazione fra gli ioni è forte, per cui occorre molta energia per separarli. clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

14 Caratteristiche dei composti ionici allo stato liquido Quando il composto ionico è allo stato liquido, ogni ione è circondato da ioni di segni opposto; per le caratteristiche proprie dei liquidi, gli ioni non sono vincolati a posizioni fisse, ma possono muoversi attraverso il liquido. Ciò spiega perché i composti ionici allo stato liquido sono in grado di condurre corrente elettrica. Si ha, perciò, un passaggio di corrente quando delle particelle carche si muovono. Se nel liquido si immergono due elettrodi aventi cariche di segno opposto, gli ioni positivi migrano verso lelettrodo negativo, mentre gli ioni negativi vanno verso lelettrodo positivo. elettrodo negativo (-) elettrodo positivo (+) Direzione di migrazione degli ioni verso i due elettrodi immersi in un composto ionico allo stato fuso. clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

15 LEGAME COVALENTE clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

16 Il legame covalente si forma fra atomi la cui differenza dei valori di elettronegatività non è maggiore di 1,7. I due atomi mettono in comune un elettrone ciascuno. Gli elettroni che vengono messi in comune sono elettroni spaiati, cioè elettroni che si trovano isolati in un orbitale. Quando i due atomi si avvicinano a sufficienza, avviene una parziale sovrapposizione dei due orbitali in cui si trovano gli elettroni spaiati: i due orbitali si compenetrano lun laltro per una certa regione di spazio, che apparterrà contemporaneamente ad entrambi gli orbitali e di conseguenza gli elettroni che si trovano in questi orbitali apparterranno contemporaneamente ai due atomi. Il legame covalente è il legame chimico più forte e si distinguono due tipi di legame covalente: 1 - il legame covalente puro;il legame covalente puro 2 - il legame covalente polare.il legame covalente polare clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

17 IL LEGAME COVALENTE PURO clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

18 Un legame covalente è detto puro quando si forma fra atomi con lo stesso valore di elettronegatività, oppure valori molto vicini. In questo caso, gli elettroni che vengono messi in comune fra i due atomi vengono attratti con la stessa forza da entrambi i nuclei e, perciò, vengono ad essere condivisi in maniera uguale fra i due atomi (c è una distribuzione simmetrica della nube elettronica). Esempi sono la molecola dell idrogeno (H 2 ) o del cloro (Cl 2 ). clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

19 IL LEGAME NELLA MOLECOLA DI IDROGENO H 2 Latomo di idrogeno ha solo un elettrone esterno e quindi spaiato. Il gas nobile più vicino allidrogeno è lelio (He), che ha due elettroni nel livello più esterno, cioè ha il primo livello energetico completamente occupato. Lidrogeno tende a raggiungere la configurazione dellelio, cioè a trovare un modo per avere due elettroni nel primo livello. Se due atomi di idrogeno mettono in comune i loro elettroni, ognuno di essi avrà due elettroni, sia pure in comune con laltro atomo. HHHH clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

20 IL LEGAME COVALENTE POLARE clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

21 Un legame covalente polare si forma tra atomi che hanno elettronegatività diversa, ma non tanto diversa da rendere possibile la formazione di un legame ionico (la differenza dei valori di elettronegatività è sempre minore di 1,7). I due atomi mettono in comune i loro elettroni spaiati, tramite la sovrapposizione degli orbitali in cui si trovano questi elettroni. Tuttavia la coppia di elettroni non è equamente condivisa fra i due atomi: gli elettroni passano più tempo attorno allatomo più elettronegativo, rendendolo parzialmente (non cè un trasferimento completo di una carica elettrica da un atomo allaltro, quindi non si formano ioni) negativo, mentre laltro atomo diviene parzialmente positivo. clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

22 LEGAME NELLA MOLECOLA DI CLORURO DI IDROGENO (HCl) Sappiamo che latomo di idrogeno ha un elettrone spaiato nellorbitale 1s e latomo di cloro ha un elettrone spaiato in uno degli orbitali 3p. Quando i due atomi si avvicinano, lorbitale 1s dellatomo di idrogeno e lorbitale 3p dellatomo di cloro si sovrappongono e i due elettroni spaiati vengono messi in comune. In questo modo latomo di idrogeno raggiunge la configurazione del gas nobile più vicino, quindi lelio (He), e latomo di cloro raggiunge lottetto. Latomo di cloro, essendo più elettronegativo dellatomo di idrogeno, attira i due elettroni di legame più fortemente dellatomo di idrogeno e così il cloro viene ad avere una parziale carica negativa, mentre lidrogeno una parziale carica positiva (la carica parziale è indicata con d (delta) posto davanti al segno della carica). La molecola si comporta quindi da dipolo elettrico, cioè come ununità che ha cariche di segno opposto alle due estremità. Al dipolo elettrico si associa una grandezza vettoriale chiamata momento dipolare (spesso il dipolo viene rappresentato da un vettore che va verso lestremità negativa). clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

23 Una molecola biatomica contenente un legame polare è sempre polare, cioè ha unestremità positiva e unestremità negativa. Nel caso di molecole con più di due atomi, la situazione può essere diversa, e dipende dalla geometria della molecola e dalla somma vettoriale dei momenti dipolari associati ai vari legami polari. Possiamo considerare alcuni esempi: - la molecola dellacqua (H 2 O) - la molecola del biossido di carbonio (CO 2 ) clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

24 MOLECOLA DELLACQUA (H 2 O) Nella molecola dellacqua i legami O-H formano un angolo di 104,5°. Siccome lossigeno è più elettronegativo dellidrogeno, ciascuno dei due legami O-H è polare, con latomo di ossigeno parzialmente negativo e quello dellidrogeno parzialmente positivo (a). Possiamo considerare con i vettori i momenti dipolari associati a ciascuno di questi legami (b). Possiamo anche considerare la somma dei due vettori (c) e siccome essa non è nulla, allora la molecola dellacqua è polare. (a)(a) (b)(b)(c)(c) clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

25 MOLECOLA DEL BIOSSIDO DI CARBONIO (CO 2 ) La molecola del biossido di carbonio (CO 2 ) è lineare, cioè i tre atomi sono allineati su una stessa retta, con latomo di carbonio al centro. Latomo di ossigeno è più elettronegativo dellatomo di carbonio: quindi, i due legami sono polari (a). Se consideriamo i momenti dipolari associati ai legami O-C (b), i vettori sono opposti e la loro somma è nulla, quindi non cè nessun vettore risultante (c). Pertanto la molecola del biossido di carbonio non è polare. Altri esempi sono il trifluoruro di boro (BF 3 ) o il tetracloruro di carbonio (CCl 4 ). a(a)a(a) b(b)b(b) c(c)c(c) clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

26 Gli atomi possono raggiungere la configurazione stabile di un gas nobile condividendo anche due o tre coppie di elettroni. Se gli elettroni scambiano 4 o 6 elettroni (due o tre coppie di elettroni), i legami covalenti che intersecano i due atomi si dicono rispettivamente legame doppio e legame triplo. Un esempio di doppio legame lo ritroviamo nel monossido di carbonio (CO). = monossido di carbonio (CO) = atomo di carbonio (C) = atomo di ossigeno (O) C=O clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

27 LA PROMOZIONE DEGLI ELETTRONI Non sempre un atomo nel suo stato fondamentale possiede abbastanza elettroni spaiati per poter formare tutti i legami che gli servirebbero per raggiungere lottetto. Ciò succede negli atomi dei gruppi II, III, IV, perché in questi casi lorbitale s è completamente occupato mentre uno o più orbitali p sono vuoti. In questi casi avviene un fenomeno chimico detto, promozione elettronica, durante la quale un elettrone dellorbitale di tipo s passa ad un orbitale di tipo p del livello energetico esterno, per aumentare il numero di elettroni spaiati disponibili per la formazione dei legami. La quantità energetica necessaria per la promozione dellelettrone è minima, perché la differenza di energia fra i due sottolivelli s e p di uno stesso livello energetico non è molto alta. La maggior stabilità che si ottiene con la formazione dei legami compensa ulteriormente la piccola quantità di energia spesa nella promozione elettronica (che avviene quando latomo si avvicina agli atomi con cui legarsi). clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

28 Un esempio è il caso del carbonio (C), che allo stato fondamentale può formare due legami. Allora come è possibile spiegare il caso del metano (CH 4 ) dove il carbonio forma quattro legami con i quattro atomi di idrogeno? Qui avviene una promozione elettronica nellatomo di carbonio, attraverso la quale un elettrone dellorbitale 2s passa allorbitale 2p vuoto, in modo tale da avere un semiriempimento degli orbitali e quattro elettroni spaiati che si andranno poi a legare con gli atomi di idrogeno. ENERGIA 1s 2s 2p 1s 2s 2p STATO FONDAMENTALEPROMOZIONE ELETTRONICA clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

29 È necessario introdurre il concetto di valenza: - per numero di valenza (o elettroni di valenza) si intende il numero di elettroni presenti nellultimo livello energetico; - per valenza base, invece, si considera il numero di elettroni spaiati presenti nellultimo livello energetico. clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

30 Esistono solidi in cui gli atomi sono legati luno allaltro da legami covalenti e costruiscono ununica struttura (dove non si individuano singole molecole). Un esempio è il diamante, costituito da carbonio puro. Ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi di carbonio, disposti intorno ad esso secondo i vertici di un tetraedro. STRUTTURA DEL DIAMANTE clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

31 IL LEGAME DATIVO clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

32 Il legame dativo (o di coordinazione) è un legame covalente in cui due elettroni di legame provengono da uno stesso atomo. Quindi, perché fra due atomi si possa formare un legame dativo, uno dei due deve avere una coppia di elettroni in uno stesso orbitale, non impegnata in un nessun legame, e laltro atomo deve avere un orbitale vuoto nel quale poter alloggiare questa coppia. Allora la coppia di elettroni viene messa in comune fra i due atomi. I due orbitali si sovrappongono e si forma il legame. Latomo che fornisce la coppia di elettroni si chiama agente nucleofilo o donatore, mentre laltro atomo si chiama agente elettrofilo o accettore. clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

33 Esempi di legame dativo allinterno delle molecole li ritroviamo negli ossiacidi del cloro (idrogeno + ossigeno + cloro): La molecola del più semplice di essi, lacido ipocloroso (HClO), contiene due legami covalenti, uno tra latomo di cloro e quello di ossigeno,laltro tra latomo di ossigeno e quello di idrogeno: In questa molecola, latomo di cloro ha tre coppie di elettroni disponibili, cioè non impegnate in legami. Anche lossigeno ne ha due, ma, essendo lossigeno un atomo fortemente elettronegativo tende ad avere il ruolo di accettore. Se un altro atomo di ossigeno si avvicina alla molecola di HClO, esso accoppia i suoi due elettroni spaiati in un unico orbitale, in modo tale da avere un orbitale vuoto nel quale alloggiare una delle coppie di elettroni del cloro. Si forma così il legame dativo tra latomo di ossigeno (accettore) e latomo di cloro (donatore). La molecola che risulta è quella dellacido cloroso, HClO 2. H ClO OH OH O legame dativo clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

34 Il legame dativo si può anche stabilire fra due molecole, purché in una di esse ci sia un atomo con una coppia di elettroni disponibile, e nellaltra ci sia un atomo con un orbitale vuoto. Le due molecole restano unite e il risultato è chiamato complesso (o anche composto di coordinazione). Consideriamo come esempio il caso del trifluoruro di boro (BF 3 ) e lammoniaca (NH 3 ). Latomo di boro della molecola del BF 3 ha un orbitale vuoto, mentre latomo di azoto della molecola dellammoniaca ha una coppia di elettroni disponibile. Latomo di azoto agisce da agente nucleofilo e latomo di boro da agente elettrofilo e la coppia di elettroni dellatomo di azoto viene messa in comune tra i due atomi. Si forma il legame dativo e le due molecole restano unite nel complesso trifluoruro di boro-ammoniaca. F F F BF F F B N H H H N H H H clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

35 IL LEGAME METALLICO clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

36 Circa i quattro quinti di tutti gli elementi sono metalli, che sono tutti solidi tranne il mercurio (Hg). I metalli hanno bassa energia di ionizzazione (quantità di energia necessaria per strappare un elettrone a un atomo neutro) e di elettronegatività. Quindi i loro elettroni esterni sono attratti debolmente dai rispettivi nuclei, e se ne separano facilmente. Ciò avviene anche quando il metallo si trova allo stato solido. Nei metalli, le posizioni (o nodi, occupati dalle particelle) del reticolo cristallino (schema geometrico creato dalla disposizione delle particelle che costituiscono un solido) sono occupate dagli ioni positivi del metallo. Gli elettroni esterni non rimangono vincolati ognuno al proprio atomo ma sono liberi di muoversi per tutto il solido, tenendo insieme in questo modo il solido stesso. Gli elettroni esterni sono delocalizzati, cioè non appartengono ad un atomo specifico, e nemmeno sono condivisi fra una coppia specifica di atomi, ma possono trovarsi in qualsiasi zona allinterno del metallo. Perciò possiamo visualizzare la struttura del metallo come reticolo cristallino con i nodi occupati dagli ioni positivi, immerso in una nube elettronica formata da tutti gli elettroni esterni. La libertà di movimento degli elettroni è allorigine delle proprietà dei metalli: - conducibilità elettrica - conducibilità termica - lucentezza - malleabilità e duttilità clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

37 IL LEGAME A IDROGENO clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

38 Il legame a idrogeno, o a ponte di idrogeno, è un legame che si forma fra molecole che contengono un atomo di idrogeno legato ad un altro atomo più elettronegativo e di piccole dimensioni. Il legame in queste molecole è covalente polare, con polarità accentuata: latomo di idrogeno è parzialmente positivo, laltro atomo è parzialmente negativo. Si stabilisce allora unattrazione elettrostatica fra latomo di idrogeno di una molecola e laltro atomo di unaltra molecola. Gli atomi che sono allo stesso tempo sufficientemente elettronegativi e piccoli sono soltanto tre: quelli dellazoto, dellossigeno e del fluoro. Quindi si formano legami a idrogeno quando un atomo di idrogeno è legato a uno di questi tre atomi. Quindi come esempi possiamo analizzare in dettaglio: la molecola dellacqua (H 2 O) la molecola del fluoruro di idrogeno (HF) clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

39 LEGAMI A IDROGENO NELLA MOLECOLA DI ACQUA (H 2 O) Nella molecola di acqua, latomo di ossigeno è parzialmente negativo, mentre i due atomi di idrogeno sono parzialmente positivi. Quando due molecole di acqua si avvicinano, si stabilisce unattrazione elettrostatica fra latomo di ossigeno di una di esse e uno degli atomi di idrogeno dellaltra. Si forma così un legame a idrogeno fra le due molecole. d+d+ d-d- d-d- d+d+ d+d+ d+d+ clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

40 LEGAMI A IDROGENO NELLA MOLECOLA DI FLUORURO DI IDROGENO (FCl) Lattrazione elettrostatica si stabilisce fra latomo di idrogeno di una molecola e latomo di fluoro di unaltra molecola. Si formano così catene di molecole di fluoruro di idrogeno (o acido fluoridrico). HHFFHF HFHF legame a idrogeno d+d+ d+d+ d+d+ d+d+ d+d+ d-d- d-d- d-d- d-d- d-d- clicca qui per andare avanti clicca qui per tornare indietro

41 In conclusione, in natura esistono differenti legami chimici che, secondo la legge di Lavoisier, trasformano la realtà senza creare o distruggere nulla.


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