Modelli di distribuzione elettronica nelle specie poliatomiche

L’evidenza sperimentale In natura gli atomi non si trovano isolati, ma combinati con altri per formare specie poliatomiche L’eccezione: Gas Nobili La spiegazione teorica: Gli atomi si comportano come sistemi meccanici Tendono a minimizzare la propria Energia Potenziale Le specie poliatomiche hanno Energia potenziale inferiore a quella degli atomi isolati

Origine della Distribuzione elettronica di legame Condizione necessaria perché due o più atomi interagiscano è che essi si avvicinino ad una distanza prossima alla dimensione atomica. La dimensione di un atomo viene valutata in base alla distanza tra i nuclei di due atomi adiacenti Gli elettroni di valenza di ogni atomo risentono della presenza di entrambi i nuclei

Perché diminuisce il contenuto energetico? Formazione di una specie poliatomica Creazione di una nuova distribuzione elettronica per gli elettroni di valenza degli atomi coinvolti Gli elettroni di valenza degli atomi coinvolti risentono di un’interazione con più di un nucleo L’energia potenziale che compete alla nuova distribuzione è minore rispetto a quella di un atomo isolato

Legame Chimico Il conseguente abbassamento di energia potenziale consequenziale all’interazione interatomica è noto come Energia di Legame La distanza internucleare tra gli atomi coinvolti nel legame prende il nome di Distanza di Legame La parte della nuova distribuzione elettronica generata dagli elettroni di valenza che fisicamente è localizzata tra i due nuclei, determina certamente un’interazione attrattiva tra i due atomi che prende il nome di LEGAME CHIMICO Il numero di elettroni fisicamente localizzato tra i due nuclei determina l’ordine di legame : 2 elettroni ordine di legame 1 Legame Semplice 4 elettroni ordine di legame 2Legame Doppio 6 elettroniordine di legame 2Legame Triplo

Energia di Legame e Distanza di Legame L’ energia di Legame e la distanza di legame dipendono da:  Natura Chimica degli atomi coinvolti  Ordine di legame LegameEnergia di Legame KJ/mol Lunghezze di Legame (nm) HHHH CHCH CCCC C═CC═C CCCC

Modello di Legame Covalente I caso: Interazione tra atomi di elementi che hanno gli stessi valori di E.I. e A.E. (Non-Metallo + Non-Metallo) I nuclei esercitano sulle distribuzioni elettroniche di legame la STESSA ATTRAZIONE Caso particolare:Atomi dello stesso tipo (Elementi Chimici) Caso particolare: Atomi dello stesso tipo (Elementi Chimici) La distribuzione elettronica sarà equamente distribuita tra i due nuclei (Legame Covalente)

Formazione del legame covalente in H 2 Modello di Legame Covalente

Modello di Legame Covalente Polare Domanda: Come si descrive la distribuzione elettronica se gli atomi non sono uguali? Il nucleo dell’elemento con maggiore Energia di Ionizzazione e Affinità Elettronica eserciterà un’attrazione maggiore sulla distribuzione elettronica. Previsione La distribuzione elettronica risulta asimmetrica Legame Covalente Polare HCl

Elettronegatività Le caratteristiche della distribuzione elettronica dipendono contemporaneamente dal valore di Energia di Ionizzazione (E.I.) e Affinità Elettronica (A.E.) degli atomi coinvolti nel legame E’ utile definire una nuova grandezza che le contempli contemporaneamente: Elettronegatività X = (E.I. -A.E.)/ k Numero che esprime la tendenza di un atomo ad attrarre la distribuzione elettronica di legame

Proprietà Periodiche: Elettronegatività  Aumenta lungo un periodo  Diminuisce lungo un gruppo

Proprietà Periodiche: Elettronegatività Elementi elettropositivi Elementi elettronegativi

Modello di Legame Ionico Modello di Legame Ionico III caso: Interazione tra atomi di elementi distanti sulla tavola periodica (Metallo + Non-Metallo). I due elementi sono caratterizzati da valori molto diversi di Elettronegatività Il nucleo del non-metallo attrae la distribuzione elettronica con intensità >> del nucleo dell’elemento metallico Trasferimento completo della distribuzione elettronica sull’atomo del non-metallo Gli ioni formati si attraggono con Forze Coulombiane Forza di attrazione Elettrostatica (Legge di Coulomb) (Legge di Coulomb) z 1, z 2 : cariche degli ioni r: distanza tra gli ioni L’interazione tra gli atomi divenuti ioni è detta Legame Ionico

Legame Ionico: Formazione dei Composti Ionici

Distribuzione della densità elettronica Simmetrica Parzialmente Asimmetrica Totalmente Asimmetrica La differenza di elettonegatività (  X) tra gli atomi interagenti discrimina il tipo di legame

Elettronegatività e Simmetria della Distribuzione Elettronica La distribuzione elettronica è simmetrica I due atomi hanno lo stesso valore di elettronegatività (  X=0) La distribuzione elettronica risulta asimmetrica Legame Covalente Legame Covalente Polare H2H2 HCl H—H I due atomi non hanno lo stesso valore di elettronegatività (  X  0) Caso Estremo: I due atomi hanno valori di elettronegatività molto diversi La distribuzione elettronica è completamente trasferita sull’atomo più elettronegativo Legame Ionico

differenza di elettronegatività (  X) Il parametro per discriminare il tipo di legame che si instaura tra gli atomi è la differenza di elettronegatività (  X)  X  2 Legame Ionico  X < 1.5 Legame Covalente Polare  X = 0 Legame Covalente Previsione del Tipo di Legame tra gli atomi

Giustificazione delle Formule dei Composti Il Problema: Perché le specie poliatomiche hanno formule chimiche definite? Es: Perché H 2 O e non HO o H 3 O?  Il modello più semplice per caratterizzare gli orbitali molecolari, prevede che essi si originino dalla sovrapposizione di orbitali atomici La distribuzione elettronica di legame è generata dagli elettroni di valenza.  La distribuzione elettronica di legame è generata dagli elettroni di valenza.  Essa è descritta in termini di orbitali non più atomici, ma molecolari  Per gli orbitali molecolari vale il Principio di esclusione di Pauli (ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni con spin antiparallelo) Il numero di legami che un atomo può formare è pari al numero di orbitali semipieni nel livello energetico più esterno Giustificare la formula dei composti Prevedere il numero di legami che un atomo può formare

Giustificazione delle Formule dei Composti Esempi: 7 N1s 2 2s 2 2p H 1s 1 8 O1s 2 2s 2 2p 4 9 F1s 2 2s 2 2p 5 3 legami 2 legami 1 legame Formula del composto NH 3 H2OH2OH2OH2O HF

Giustificazione delle Formule dei Composti Eccezioni: 5 B1s 2 2s 2 2p H 1s 1 1 legame 4 Be1s 2 2s 2 nessun legame 6 C1s 2 2s 2 2p 2 2 legami Formula del composto BeH 2 Formula Prevista Non forma composti BH BH 3 CH 2 CH 4

Giustificazione delle Formule dei Composti Correzione del Modello 5 B1s 2 2s 2 2p 1 Promozionedi un elettrone Promozione di un elettrone 5 B*1s 2 2s 1 2p 2 3 legami BH 3 Formula del composto La promozione di un elettrone richiede una spesa energetica Come si giustifica? L’energia spesa è un investimento vantaggioso  La promozione dell’elettrone avviene nello stesso livello energetico (numero quantico principale costante  E’ richiesta poca energia  La promozione dell’elettrone consente la formazione di due legami in più.  Sensibile diminuzione di energia L’Energia potenziale diminuisce Il numero di legami che un elemento può formare è pari al massimo numero di orbitali semipieni ottenibili nell’ultimo livello energetico

Geometria Molecolare Geometria Molecolare: Descrive la struttura della molecola La struttura della molecola specifica la disposizione degli atomi nella molecola: Come sono legati tra di loro Come sono disposti nello spazio Atomo Coordinante (Centrale) : Atomo che si lega ad almeno 2 atomi

Giustificazione della geometria molecolare Teoria V.S.E.P.R. (Valence Shell Electron Pair Repulsion) Gli elettroni hanno carica negativa Se occupano la stessa regione dello spazio si instaurano intense forze repulsive Aumento di E p Le distribuzioni elettroniche di valenza tendono a disporsi nello spazio intorno all’atomo centrale alla massima distanza possibile, per minimizzare l’energia potenziale

Giustificazione della geometria molecolare Teoria V.S.E.P.R. (Valence Shell Electron Pair Repulsion) BeCl 2 Esempi: Cl― Be―Cl : : : : : : 2 coppie intorno all’atomo centrale BCl 3 : : Cl― B―Cl : : : : │ : : : Cl 3 coppie intorno all’atomo centrale CH 4 H― C ― H │ │ HH 4 coppie intorno all’atomo centrale

Teoria V.S.E.P.R. Effetto delle Coppie di Non-Legame (Distribuzioni elettroniche di valenza che fisicamente non sono disposte tra i due nuclei) Esempi: NH 3 : H― N―H │ H Le distribuzioni elettroniche di non legame vanno considerate alla stessa stregua di quelle di legame 4 coppie (3 di legame+ 1 di non legame) Distribuzione elettronica intorno all’atomo centrale è formata da 4 coppie Struttura tetraedrica Angolo di legame nell’intorno di 109,5 Valori più piccoli dell’angolo di legame sono spiegabili in termini di 4 distribuzioni elettroniche non equivalenti Angolo di legame 107° H2OH2OH2OH2O : O ―H O ―H │ H : 4 coppie (2 di legame+ 2 di non legame) Angolo di legame 104,5°

Molecole Polari e Non Polari

Esperimento: Alcune molecole si comportano come dipoli elettrici Molecole Biatomiche: Condizione necessaria e sufficiente affinchè la molecola sia polare è la presenza di legami covalenti polari Ad un legame covalente polare non corrisponde necessariamente la presenza di un dipolo sulla molecola Esempi: BeCl 2 CO 2 Molecole almeno triatomiche: La presenza di legami covalenti polari è condizione necessaria ma non sufficiente affinchè la molecola sia polare

Momento di dipolo Grandezza vettoriale (  ) che caratterizza un dipolo elettrico Modulo: Prodotto delle cariche parziali per la loro distanza (distanza di legame). Direzione: Quella di legame Verso: Dalla parziale carica positiva a quella negativa (verso l’elemento più elettronegativo). Caratteristiche del vettore: Risultante dei momenti di dipolo nulla Molecola non polare Risultante dei momenti di dipolo non nulla Molecola polare La polarità di una molecola dipende da: 1)Presenza di legami covalenti polari 2)Distribuzione degli atomi nello spazio (Geometria Molecolare)