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1 File: legami_energia4_07&8.ppt. 2 I Legami chimici principali 1. Mantengono unite le particelle (atomi, molecole e ioni) di un corpo grazie alle forze.

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1 1 File: legami_energia4_07&8.ppt

2 2 I Legami chimici principali 1. Mantengono unite le particelle (atomi, molecole e ioni) di un corpo grazie alle forze elettriche attrattive. 2. Portano ad una nuova distribuzione degli elettroni di valenza. 3. Portano ad una situazione più stabile: energeticamente più favorevole rispetto a quella degli atomi isolati.

3 3 + Il legame: una coesione di tipo elettrico Quando due atomi sono legati tra loro: -le forze attrattive (nucleo-elettrone) bilanciano le forze repulsive (elettrone-elettrone e nucleo-nucleo) -se si avvicinano o allontanano gli atomi, si genera una forza elettrica che tende a riportare i nuclei atomici nella loro situazione originale

4 4 Modelli per la descrizione della nube elettronica nellatomo isolato e formalismo di Lewis Gli elettroni della nube elettronica vengono distiniti in elettroni interni ed elettroni di valenza Il numero di elettroni di valenza coincide con il gruppo. Il numero di gusci occupati coincide con il numero del periodo. Formalismo di Lewis per la descrizione degli elettroni di valenza. Gli elettroni di valenza sono rappresentati come punti posti ai lati del simbolo chimico dellatomo

5 5 Modelli per la distribuzione elettronica nei tre legami chimici principali Tre differenti tipi di distribuzioni elettroniche caratterizzano le tre differenti situazioni in cui si possono trovare gli atomi legati Legame covalente La carica elettronica si sposta verso la zona intermedia tra i 2 nuclei; alcuni elettroni risentono dellattrazione di entrambi i nuclei. Legame ionico Trasferimento di elettroni da un atomo allaltro in modo da formare uno ione positivo ed uno ione negativo, tra i quali nasce unattrazione elettrostatica. Legame metallico Parte della carica elettronica è distribuita uniformemente in tutto lo spazio attorno ai nuclei e risente dellattrazione di molti di essi Zona in cui si trovano il nucleo e gli elettroni interni

6 Energia di ionizzazione (E i ) e affinità elettronica (A E ) Atomi con elevata affinità elettronica tendono a formare ioni negativi più facilmente degli altri. Atomi con bassa energia di ionizzazione tendono a formare ioni positivi più facilmente degli altri. Ei: energia richiesta per strappare ad un atomo isolato un elettrone ed ottenere uno ione positivo AE: energia liberata quando un atomo isolato cattura un elettrone e diventa uno ione negativo.

7 Elettronegatività degli elemementi Scala elettronegatività secondo Pauling Scala elettronegatività secondoMullikan Correlazione tra le due scale Lelettronegatività esprime la tendenza di un atomo ad attirare gli elettroni un atomo al quale si trova legato. Latomo più elettronegativo tende ad attirare a sè gli elettroni degli altri atomi! Esistono differenti definizioni per esprimere questa proprietà. Quella di Mullikan si basa sullenergia di ionizzazione e affinità elettronica degli elementi, quella di Pauling sullenergia liberata nella formazione del legame tra gli elementi.

8 8 Elettronegatività – la capacità di un atomo di attrarre a sè gli elettoni di legame. Lelettronegatività permette di avere unidea del tipo di legame che si forma tra due atomi; lelettronegatività permette inoltre di determinare la presenza di poli elettrici allinterno della molecola. I valori dellelettronegatività che sono stati assegnati agli atomi dei diversi elementi si trovano sulla T.P. Elettronegatività

9 9 Atomi di elementi con forti differenze di elettronegatività (superiore a 2) tendono a formare legami ionici. Per descrivere la polarità di un legame si può ricorrere alla percentuale di carattere ionico. –Se gli elettroni di legame passano tutto il loro tempo attorno ad un altro atomo si dice che il legame è 100% ionico. –Se gli elettroni di legame passano lo stesso tempo sugli atomi legati allora si dice che il legame è 0% ionico,vale a dire è covalente puro. Elettronegatività

10 10 Modello di Lewis per la distribuzione degli elettroni nei composti ionici (legame ionico) Nei composti ionici (sali, ossidi, idrossidi,…), gli elettroni di un atomo con bassa energia di ionizzazione (metallo) si sono trasferiti completamente nel livello di valenza di un atomo con elevata affinità elettronica (nonmetallo) Descrizione con il formalismo di Lewis della formazione: (I) del LiF a partire dagli atomi isolati (II) del Li 2 O a partire dagli atomi isolati - -Il legame ionico si instaura tipicamente tra gli atomi dei metalli (Gruppi 1A, 2A, metalli di transizione…) e gli atomi dei nonmetalli (O e gli alogeni) -Il legame ionico non agisce tra due (o pochi) ioni specifici ma coinvolge tutti gli ioni di segno opposto che si trovano nelle vicinanze e si attenua con il quadrato della distanza. -Nel legame ionico gli elettroni di valenza si ritrovano nel guscio di valenza ed avvolgono come una nube latomo nonmetallico

11 11 Proprietà riconducibili alla presenza del legame ionico I corpi ionici nelle condizioni ambientali sono tutti dei solidi duri, fragili e non conducono lelettricità. Diventano liquidi e conduttori elettrici solo ad alte temperature. superficie di rottura un corpo ionico sollecitato meccanicamente appena inizia a deformarsi si rompe: è rigido e fragile.corpo ionico

12 12 Modello di Lewis per descrivere la distribuzione degli elettroni nel legame covalente Gli elettroni di valenza sono distribuiti tra gli atomi come coppie condivise o COPPIE DI LEGAME e/o come coppie non condivise o COPPIE SOLITARIE. Elettroni condivisi o coppia di legame: si trovano sia sul livello di valenza dellidrogeno che su quello del cloro e sono responsabili del legame covalente tra questi due atomi Elettroni non condivisi o coppie solitarie: si trovano solo sul livello di valenza del cloro e non dellidrogeno G. N. Lewis

13 13 Regola dellottetto (Lewis, 1916) Gli atomi si legano ad altri atomi acquistando, perdendo o mettendo in comune elettroni in modo da averne nel loro guscio di valenza un numero pari a quelli di un gas nobile. A parte lelio che ha due elettroni di valenza, tutti gli altri gas nobili ne hanno otto. La configurazione dei gas nobili sono ambite in quanto sono particolarmente stabili vale a dire hanno un basso contenuto di energia. BeBCLiOFNeN Kr He Ne Ar Xe Rn Rb Li Na K Cs Fr Sr Be Mg Ca Ba Ra In B Al Ga Tl Fr IIIIII -3e -2e -1e Kr Ne Ar Xe Rn Sb N P As Bi Se Te O S Po Br I F Cl At VVIVIIIV Sn C Si Ge Pb 4e 3e 2e 1e

14 14 CONFIGURAZIONI ELETTRONICHE STABILI E REGOLA DELLOTTETTO Latomo di ossigeno ha … elettroni nel suo livello di valenza Latomo di carbonio ha … elettroni nel suo livello di valenza Latomo di idrogeno ha … elettroni nel suo livello di valenza O C HHHH N Gli elettroni di valenza presenti nella molecola di diazoto sono complessivamente….. Ogni atomo di azoto ha nel suo livello di valenza …. elettroni Legamesemplicedoppiotriplo Elettroni condivisi 246 Esercizio: a) Trova per ognuno dei seguenti aggregati poliatomici il numero di elettroni nel livello di valenza e la carica totale. b) Verifica se gli atomi presenti nellaggregato poliatomico raggiungono una configurazione stabile.

15 15 Legame covalente e proprietà Corpi adamantini tutti gli atomi del materiale sono uniti da una rete di legami covalenti Corpi macromolecolari Un gran numero (N>10000) di atomi del materiale sono raggruppati da una rete di legami covalenti Corpi molecolari volatili Gli atomi del materiale sono uniti in piccoli gruppi, da una serie di legami covalenti Molto duri e fragili, fondono e si decompongono a temperature elevatissime … … … …

16 16 Modello per il legame metallico e proprietà Insieme di ioni positivi immersi in un mare di elettroni di valenza un corpo metallico, sollecitato meccanicamente si deforma senza rompersi: è plastico (duttile, malleabile) e tenace. Il mare di elettroni di valenza spiega la conducibilità dei metalli allo stato solido così come le loro particolari proprietà ottiche. Il legame metallico non può essere descritto con il modello di Lewis!

17 17 Rifletti sulla composizione e le proprietà dei seguenti materiali e trova quale modello è più adatto per descrivere il legame tra le rispettive particelle del materiale Ovatta AcetonePiombo Quarzo MarmoSmeraldo

18 18 Il legame: una situazione energeticamente favorevole Energia di legame -(a volte è chiamata energia per la dissociazione del legame) nel caso dei legami covalenti corrisponde allenergia che è necessario fornire ad una sostanza allo stato gassoso per rompere una mole di un determinato tipo di legami così da ottenere degli atomi isolati. Esempio: H 2 (g) H(g) + H(g) E B (H-H) = kJ/mol Lunghezza di legame: La distanza tra i nuclei di due atomi di una molecola legati tra loro in modo covalente. (vedi raggio covalente sulla T.P.)

19 19 Più elevato è il numero di elettroni condivisi nel legame (ordine di legame) e più alta è lenergia di legame. Energia di legame LEGAME ENERGIA (kJ/mol) HH436 CC346 C=C602 C C 835 N N945 Più elevata è lenergia di legame e più piccola è la distanza tra gli atomi legati (lunghezza di legame)

20 20 Energia di legame LegameOrdine Lunghezza Energia di legame HOOH 1147 pm210 kJ/mol O=O kJ/mol kJ/mol La reattività di una sostanza si può mettere in relazione con lenergia di legame: a questo si può ricondurre la maggior reattività dei perossidi e dellozono rispetto allossigeno.

21 21 Possiamo usare le energie di legame per stimare lenergia liberata od assorbita nel corso di una reazione chimica.

22 22 E o = BE(reagenti) - BE(prodotti) BE: energia di legame ACCUMULO O LIBERAZIONE DI ENERGIA ED ENERGIE DI LEGAME DURANTE UNA REAZIONE CHIMICA VIENE ACCUMULATA O LIBERATA ENERGIA A SEGUITO DELLA ROTTURA DEI LEGAMI CHIMICI PRESENTI NELLE MOLECOLE DEI REAGENTI E LA FORMAZIONE DI NUOVI LEGAMI PRESENTI NELLE MOLECOLE DEI PRODOTTI.

23 23 Uso delle energie di legame per calcolare lenergia coinvolta nella produzione di HF: H 2 (g) + F 2 (g) 2HF (g) E 0 = BE(reagenti) – BE(prodotti) Tipo di legami rotti Numero di legami rotti Energia di legame (kJ/mol) Energia accumulata nella rottura dei vecchi legami HH kJ FF Tipo di legami formati Numero di legami formati Energia di legame (kJ/mol) Energia liberata nella formazione dei nuovi legami HF kJ Bilancio: E = Energia accumulata- Energia liberata = 593,3 – 1136,2 = kJ

24 24 Usando le Energie di legame… 1) Calcola lenergia liberata e disponibile per il riscaldamento dellacqua, quando viene bruciato: -1,0 mol di CH 4 gassoso -1,0 mol di CH 4 O gassoso 2) Determina il potere calorico dei due combustibili ed esprimilo in kJ/g e in kJ/mol. 3) Trova quanta acqua si riesce a riscaldare da 10°C a 60 °C, in ciascuna delle due situazioni. Considera che il calore specifico dellacqua è di 4,2 J°C -1 g -1,ed è praticamente costante da 0°C a 100 °C.

25 25 Cosè e come si misura lenergia di un legame ionico? Teoricamente essa è definita come lenergia che si libera quando degli atomi isolati si aggregano andando a formare una struttura nella quale sono uniti con un legame ionico. Fattori che entrano in considerazione: –Ioni di carica opposta quando si avvicinano liberano energia –Ioni con carica dello stesso segno si avvicinano solo se si fornisce loro energia –Nella formazione del cristallo ionico dagli ioni isolati, si avvicinano sia ioni della stessa carica sia ioni di carica opposta –La formazione di uno ione positivo a partire da un atomo isolato necessita di energia –La formazione di uno ione negativo a partire da un atomo isolato libera energia

26 26 Ciclo di Born-Haber: usato per valutare i diversi contributi energetici che intervengono nella formazione di un legame ionico E o complessivo = E o 1 + E o 2 + E o 3 + E o 4 + E o 5 ( Energia del reticolo) Energia di ionizzazione-Affinità elettronica Energia di sublimazione e dissociazione Energia di dissociazione Energia di formazione Nello stato gassoso la materia ionizzata è meno stabile !!!

27 27 Ciclo di Born-Haber: usato per valutare i diversi contributi energetici che intervengono nella formazione di un legame ionico Energia liberata nella formazione di 1,0 mol di LiF a partire dalle sostanze semplici.

28 28 Energia del reticolo di un composto ionico Energia del reticolo– lenergia per separare completamente una mole di un solido ionico nei suoi ioni allo stato gassoso. E = k Q+Q-Q+Q- r Q + è la carica del catione Q - è a carica dellanione r è la distanza tra gli ioni E è lenergia necessaria per separare i due ioni La legge di Coulomb permette di calcolare lenergia (E) necessaria per separare due ioni:

29 29 La legge di Coulomb permette di dedurre che, lenergia del reticolo è determinata da due fattori principali: 1.Carica dello ione: più è grande la carica e più elevata è lenergia del reticolo. 2.Raggio ionico: più piccolo è lo ione e più elevata è lenergia del reticolo. Comp. Energia del reticolo [kJ/mol] MgF 2 MgO LiF LiCl Q= +2,-1 Q= +2,-2 r F < r Cl

30 30 Esercizio Metti i seguenti composti in ordine di energia reticolare e di punto di fusione. –NaCl, MgO, LiF Trova che relazione sussiste tra lenergia del reticolo e il punto di fusione. Nota: le anomalie riscontrate nel punto di fusione sono da ricondurre alla formazione di nuove particelle o nuovi legami durante il passaggio di stato: ad es nel MgCl 2 fuso si osserva la presenza di ioni complessi [MgCl 4 ] 2-.

31 Risultati CH4CH4O Energia liberata dalla combustione di 1,0 mol di combustibile 784 kJ637kJ Potere calorico molare784 kJ/mol637 kJ/mol Potere calorico49 kJ/g20 kJ/g 31

32 32

33 33 Lunghezza di legame Definizione: La distanza tra i nuclei di due atomi di una molecola legati tra loro in modo covalente. (vedi raggio covalente sulla T.P.)

34 34 Lunghezza di legame La lunghezza di legame è la distanza tra i due nuclei degli atomi legati. Nel legame covalente essa è la somma dei raggi covalenti dei due atomi coinvolti. (vedi T.P.) Nel legame ionico essa è la somma dei due raggi ionici dei due atomi coinvolti. (vedi T.P.)

35 35 Lunghezza di legame (cont.) La lunghezza di legame diminusce allaumentare del numero di legami tra due atomi. C – C nm C – N nm C = C nm C = N nm C nm C N nm

36 36 Lunghezza di legame La lunghezza di legame dipende dalle dimensioni degli atomi legati. HF HCl HI Lunghezze di legame calcolate usando il software CAChe. Lunità di misura è in Angstrom dove 1 A = 10 2 pm.

37 37 Lunghezze di legame calcolate usando il software CAChe. Lunità di misura è in Angstrom dove 1 A = 10 2 pm. Lunghezza di legame La lunghezza di legame dipende dallordine di legame.

38 38 Usando le Energie di legame Valuta lenergia della reazione HH + ClCl ----> 2 HCl HH = 436 kJ/mol ClCl = 242 kJ/mol HCl = 432 kJ/mol HH = 436 kJ/mol ClCl = 242 kJ/mol HCl = 432 kJ/mol L energia liberata nella formazione di due moli di legami H-Cl : 2 * 432 = 864 kJ L energia richiesta per rompere una mole dei legami H-H e Cl-Cl : 436 kJ kJ = +678 kJ 436 kJ kJ = +678 kJ Il bilancio netto porta a: +678 kJ-864 kJ= kJ

39 39 Usando le Energie di legame Valuta lenergia della reazione: 2 HOOH => O=O + 2 HOH La reazione è eso o endotermica? È più elevata lenergia richiesta per rompere i vecchi legami o quella per formare i nuovi?

40 40 Usando le Energie di legame 2 HOOH ----> O=O + 2 HOH Bilancio netto= kJ kJ = kJ La reazione è esotermica Viene liberata più energia nella formazione dei legami di quanta ne viene impiegata per la rottura.

41 41 Calcola il quantitativo di energia che viene liberata dalla combustione completa di 2 moli di etano: 2C 2 H 6 (g) + 7O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 6H 2 O(g) Utilizza le energie di legame riportate nella tabella.


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