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LEGAMI CHIMICI1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi LEGAMI CHIMICI.

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1 LEGAMI CHIMICI1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi LEGAMI CHIMICI

2 2 I legami chimici sono i modi in cui gli atomi si legano tra di loro Tranne i gas nobili, gli atomi di tutti gli elementi si trovano legati ad altri atomi, dello stesso tipo, come nelle sostanze elementari, o di tipo diverso, come nelle sostanze composte. Legandosi gli atomi raggiungono, almeno formalmente, la configurazione elettronica del gas nobile più vicino Nei legami gli atomi entrano in contatto tra loro, ma ciò avviene unicamente con gli elettroni più esterni, cioè quelli dellultimo livello energetico Il numero ed il tipo di legami che un atomo forma sono determinati dalla sua configurazione elettronica esterna e rientrano nelle sue proprietà chimiche.

3 LEGAMI CHIMICI3 Il legame chimico esistente tra gli atomi determina il comportamento chimico della sostanza. 2H 2 + O 2 2H 2 O Cl H La rappresentazione di Lewis O N G. N. Lewis (1875 – 1946) O H H acqua H2OH2O O H H O acqua ossigenata H2O2H2O2

4 LEGAMI CHIMICI4 LEGAME COVALENTE Nella configurazione elettronica esterna si definisce: Singoletto o elettrone spaiato Doppietto Il legame covalente si realizza tra due atomi che abbiano nellultimo livello energetico almeno un elettrone spaiato I due orbitali atomici si fondono, per formare un orbitale di legame, che circonda entrambi i nuclei, al suo interno si trovano i due elettroni spaiati, con spin opposto (vale sempre il principio di Pauli) I due elettroni risentono dellattrazione di ambo i nuclei atomici e ruotano intorno ad entrambi. Essi non appartengono più ai singoli atomi, bensì ad ambedue: i due atomi hanno messo ognuno in compartecipazione un orbitale con un elettrone ++ H 1S 1 Atomi isolati ++ H H Molecola didrogeno

5 LEGAMI CHIMICI5 Legame singolo Molecola: gruppo di atomi legati da legame covalente I due atomi sono legati tramite una sola coppia di legame Gli elettroni non coinvolti nel legame formano coppie di non legame O H H acqua ClCl ClCl Molecola di cloro Cl 2 ClCl H Molecola di acido cloridrico HCl ammoniaca N H H H Legame doppio I due atomi sono legati tramite due coppie di legame O O Molecola di ossigeno O 2 Legame triplo I due atomi sono legati tramite tre coppie di legame Molecola di azoto N 2 N N

6 LEGAMI CHIMICI6 Formula minima (o bruta): indica il tipo di atomi presenti nella sostanza con le loro reciproche proporzioni Formula molecolare: (solo per le molecole) indica il reale raggruppamento di atomi che formano la molecola H2O2H2O2 HO In tantissimi casi formula minima e formula molecolare coincidono H2OH2O Legame covalente puro (o omeopolare): si realizza quando i due atomi che si legano hanno la stessa elettronegatività (avviene solo tra i non metalli allo stato elementare) ++ H H Gli elettroni ruotano allo stesso modo intorno ad ambo i nuclei La distribuzione della carica elettrica è uniforme; la molecola è simmetrica e non polare Dipolo elettrico: coppia di cariche elettriche di uguale grandezza, ma di segno opposto, separate da una certa distanza +

7 LEGAMI CHIMICI7 Legame covalente polare (o eteropolare): si realizza quando i due atomi che si legano hanno differente elettronegatività (avviene solo nei composti tra non metalli) Lelemento più elettronegativo attira gli elettroni di legame con maggior forza Gli elettroni di legame passano più tempo intorno al nucleo dellatomo con elettronegatività maggiore La distribuzione della carica elettrica non è uniforme; la molecola è asimmetrica e polare ClCl H Il centro delle cariche positive è spostato verso latomo meno elettronegativo; il centro delle cariche negative è spostato verso latomo più elettronegativo Le molecole polari mostrano significative peculiarità, soprattutto in relazione alla capacità di legarsi tra loro e di sciogliere determinati composti δ– δ+ O H H

8 LEGAMI CHIMICI8 Ione ammonio NH 4 + N H H H H+H+ Legame dativo: è un legame covalente polare che si realizza tra un atomo con un orbitale pieno ed un atomo con un orbitale vuoto N H H H H A parte la differente appartenenza degli elettroni, un legame dativo ha le stesse proprietà di un legame covalente normale. LEGAME IONICO Si realizza tra atomi con grossa differenza di elettronegatività (metalli e non metalli) L elemento più elettronegativo strappa uno o più elettroni allelemento meno elettronegativo. L elemento più elettronegativo diventa un anione, mentre lelemento meno elettronegativo diventa un catione. Anioni e cationi si attirano con una forza di tipo elettrostatico Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl

9 LEGAMI CHIMICI9 Ogni catione è attratto da tutti gli anioni che lo circondano e viceversa. Il legame ionico è molto forte Il legame è adirezionale Tutti i composti ionici sono solidi a temperatura ambiente, con elevata temperatura di fusione I solidi ionici tuttavia sono fragili: se una sollecitazione li deforma, ioni di segno uguale possono venire a contatto, generando forze repulsive che rompono il solido. Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl

10 LEGAMI CHIMICI10 Ioni poliatomici (molecole ioni o ioni molecolari): raggruppamenti di atomi legati con legame covalente (cioè molecole), al cui interno il numero totale dei protoni è diverso da quello degli elettroni N H H H H NH 4 + S SO 4 2- O O O O CO 3 2- C O O O Si comportano esattamente come gli ioni monoatomici, coi quali possono formare legami, essendo tuttavia più grossi rispetto a questi ultimi Possono essere sia anioni, che cationi Solo i non metalli (più Cr e Mn) possono formare ioni poliatomici 1° gruppo: solo cationi monoatomici monovalenti (Na + ; K + ecc.) I tipi più comuni di ioni che si riscontrano nei vari gruppi 2° gruppo: solo cationi monoatomici bivalenti (Mg 2+ ; Ca 2+ ecc.) 3° gruppo: cationi monoatomici trivalenti (Al 3+ ) e anioni poliatomici (BO 3 3- )

11 LEGAMI CHIMICI11 4° gruppo: cationi monoatomici tetravalenti (Sn 4+ ; Pb 4+ ) e bivalenti (Sn 2+ ; Pb 2+ ); anioni poliatomici (CO 3 2- ; SiO 4 4- ) 5° gruppo: raramente ioni monoatomici positivi (Bi 3+ ) o negativi (N 3- ); più spesso anioni poliatomici (NO 3- ; PO 3 3- ecc.) 6° gruppo: anioni monoatomici bivalenti (O 2- ; S 2- ); anioni poliatomici (SO 4 2- ; SO 3 2- ) 7° gruppo: anioni monoatomici monovalenti (Cl - ; F - ; ecc.); anioni poliatomici (ClO 4- ; ClO - ; BrO 4- ecc.) La transizione dal legame covalente a quello ionico avviene gradualmente, con laumento della differenza di elettronegatività

12 LEGAMI CHIMICI12 LEGAME METALLICO In un solido metallico ogni atomo mette a disposizione del legame alcuni dei suoi elettroni più esterni, condividendoli con tutti gli altri atomi legati. I metalli hanno bassa energia di ionizzazione La struttura è costituita da un insieme ordinato e compatto di cationi immersi in una nuvola di elettroni mobili, che appartengono a tutti i cationi e li legano tra loro I metalli sono duttili e malleabili e conducono bene il calore e lelettricità

13 LEGAMI CHIMICI13 LEGAME TRA MOLECOLE Lo stato fisico di una sostanza dipende dallenergia con cui sono legate le sue particelle La temperatura di fusione e di ebollizione forniscono una misura diretta di tale energia Il legame covalente è molto forte, ma le sostanze covalenti (tranne alcune eccezioni) sono gas, liquidi o solidi basso fondenti Nelle sostanze covalenti vi sono due diversi tipi di legame: legame covalente intramolecolare molto forte legame intermolecolare debole

14 LEGAMI CHIMICI14 Solidi covalenti macromolecolari: costituiscono uneccezione a quanto detto in precedenza Al loro interno miliardi di atomi, legati nelle tre direzioni dello spazio da legami covalenti, formano ununica grande molecola; tali sostanze hanno pertanto elevata temperatura di fusione. Carbonio diamante Carbonio grafite Quarzo

15 LEGAMI CHIMICI15 Legame dipolo - dipolo: si realizza nelle molecole polari e consiste nellattrazione tra le parti caricate con segno opposto dei dipoli delle varie molecole, che si orientano opportunamente E un legame piuttosto debole Legame idrogeno (o a ponte di idrogeno): si realizza tra molecole nelle quali vi è dellidrogeno legato ad elementi molto elettronegativi Lesempio più importante è lacqua, dove un atomo di idrogeno di una molecola si lega ad una coppia di non legame di un ossigeno di unaltra molecola O H H O H H O H H O H H δ+δ+ δ-δ- H F H F H F H F Acido fluoridrico

16 LEGAMI CHIMICI16 Legame dipolo istantaneo – dipolo istantaneo: si realizza nelle molecole apolari, o negli atomi dei gas nobili, quando, casualmente e per un istante, si produce una separazione delle cariche ++ Induzione elettrostatica: fenomeno fisico in cui un oggetto dotato di carica elettrica induce una separazione delle cariche in un corpo adiacente Legame dipolo istantaneo – dipolo indotto: si realizza quando un dipolo istantaneo induce la polarizzazione di una molecola (o di un atomo) adiacente ++ Legami tra molecole non polari (tra atomi di gas nobili)

17 LEGAMI CHIMICI17 Legame dipolo indotto – dipolo indotto: ultima delle possibili combinazioni dei fenomeni precedentemente descritti Tutti i legami tra molecole non polari sono temporanei, ma interessano tutte le molecole della sostanza. Non si può stabilire esattamente quanti dipoli si formano in ogni istante, ma è plausibile che ce ne siano sempre abbastanza per formare legami Questi legami spiegano come, sia pur a temperatura estremamente basse, anche le molecole non polari, ed i gas nobili, possano esistere allo stato liquido o solido. I legami di questo tipo aumentano di intensità allaumentare delle dimensioni delle molecole coinvolte, che diventano più facilmente polarizzabili.

18 LEGAMI CHIMICI18 Legame ione - dipolo: E il legame che spiega la solubilità in acqua dei composti ionici e covalenti polari Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na +

19 LEGAMI CHIMICI19 ENERGIA DI LEGAME E lenergia che si deve impiegare per rompere il legame stesso, separando gli atomi Più forte è il legame tra gli atomi di un composto, tanto più stabile sarà il composto medesimo Questo concetto ci servirà per comprendere i meccanismi con cui avvengono le reazioni chimiche Energia atomi isolati atomi uniti Energia di legame 2H 2 O2O2 + 2H 2 O

20 LEGAMI CHIMICI20 Lenergia di legame dipende da tre fattori: Energia di legame in kJ/mole HH 463 NN941 HF565 HCl 431 HBr364 HI297 HO463 H O29 OO494 CO707 CC 348 CH 413 Li + H 244 Na + H 201 K + H 180 Le dimensioni degli atomi legati: un legame tra atomi piccoli è più forte di uno tra atomi grandi Il tipo di legame: il legame covalente, quello ionico e quello metallico sono legami forti; i legami intermolecolari sono invece deboli Il numero di legami esistenti tra i singoli atomi: la forza del legame covalente aumenta col numero dei legami esistenti tra gli atomi

21 LEGAMI CHIMICI21 THE END


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