I legami secondari Chimica e laboratorio Classi quarte/quinte Docente: Luciano Canu Anno Scolastico 2008/2009

Generalità I legami secondari Sono sempre interazioni elettrostatiche Sono interazioni intermolecolari Possiamo spiegare quindi il comportamento di sostanze molecolari e macromolecolari Sono interazioni di tipo fisico Reversibili: si formano e si rompono con poca spesa energetica e non modificano la natura intima della materia Spiegano il comportamento e le caratteristiche di moltissimi materiali e sostanze

Uno schema Forze di Van der Waals Legame a idrogeno Interazioni dipolo-dipolo Forze di London

Legame a idrogeno È il più forte legame intermolecolare conosciuto (circa un decimo di un legame covalente) È presente in moltissime sostanze importanti Le regole per individuare e rappresentare una sostanza che forma legami a idrogeno

H O O H Le regole H È necessario (ma non sufficiente) che la molecola contenga idrogeno L’idrogeno deve essere legato, con legame covalente semplice, con atomi molto elettronegativi (F, O, N) La molecola che “contiene” questa porzione così organizzata può formare legami idrogeno con altre molecole polari Le molecole devono essere orientate in modo da mantenere sullo stesso asse i 3 atomi coinvolti nel legame a idrogeno

Il caso dell’acqua H O H O H O O H H H O

Proprietà dell’acqua La fase solida è meno densa della fase liquida (il ghiaccio galleggia in acqua) L’acqua ha una elevata capacità termica (liquido di riscaldamento o di raffreddamento) Il ghiaccio in opportune condizioni forma cristalli L’acqua ha una elevata temperatura di ebollizione/fusione Ha la tendenza ad aggregarsi, formare masse d’acqua molto grandi L’acqua scioglie molto bene tutte le sostanze che hanno gruppi OH nella loro struttura

Molecole che formano legami idrogeno H-F acido fluoridrico CH4 metano NH3 ammoniaca C3H7OH propanolo DNA Cellulosa Amido Glucosio Proteine

Altri legami secondari Legami dipolo-dipolo Forze di London (forze di Van der Waals)

Legami dipolo-dipolo H Cl Cl H Cl H Cl H Il legame a idrogeno è una versione particolarmente forte e speciale di legame dipolo-dipolo Tutte le molecole polari possono formare interazioni dipolo-dipolo con intensità variabile Sono responsabili dello stato fisico di molti materiali H Cl δ- δ+ δ- δ+ δ- δ+ δ- δ+ Cl H Cl H Cl H

Temp. di ebollizione (°C) Un confronto Sostanza Temp. di fusione (°C) Temp. di ebollizione (°C) ElAlog MM H-F acido fluoridrico -93 20 4 H-Cl acido cloridrico -114 -85 3 36,5 H-Br acido bromidrico -89 -67 2,8 81 H-I acido iodidrico -51 -35 2,5 128

Interpretiamo la tabella Le temperature di fusione e di ebollizione dell’HF sono molto alte rispetto all’HCl poiché solo il primo può formare legami idrogeno Notare che l’HCl è più pesante dell’HF L’andamento dei successivi acidi è spiegabile considerando l’aumento di massa della molecola Infatti possiamo considerare le interazioni dipolo-dipolo sufficientemente simili

Interazioni dipolo temporaneo-dipolo indotto Molte molecole sono considerate apolari N2, H2, CH4, Cl2, I2, F2, CO2 Eppure è possibile ottenere lo stato liquido e solido anche da queste sostanze Cl2 è gassoso ma Br2 è liquido e I2 è solido alla temperatura ambiente Come mai? Cosa cambia tra le 3 molecole? Come si crea un dipolo temporaneo?

Come interagiscono le molecole apolari La massa atomica aumenta notevolmente Aumentano molto le dimensioni della nuvola elettronica esterna e il numero di elettroni Cioè la nuvola elettronica esterna è molto lontana dal nucleo e sente poca attrazione protonica Le nuvole elettroniche diventano più plastiche, meno rigide Gli elettroni di valenza a volte si distribuiscono in maniera asimmetrica anche in molecole apolari Questo fenomeno è denominato dipolo temporaneo Avviene casualmente su un numero limitato di molecole (probabilità statistica)

Distribuzione asimmetrica temporanea degli elettroni di legame + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - Dipolo temporaneo Distribuzione asimmetrica temporanea degli elettroni di legame

Viscosità La viscosità è la capacità che le molecole di un fluido hanno di opporsi allo scorrimento Le forze di Van der Waals quindi sono responsabili della velocità di scorrimento del fluido Ma l’olio è più viscoso dell’acqua! Si deve considerare anche la massa e la complessità della struttura della molecola

Tensione superficiale L’energia necessaria a penetrare la superficie di un liquido È dovuta alla presenza di interazioni di Van der Waals tra le particelle di liquido L’acqua ha una tensione superficiale elevata che Rende difficile l’entrata in acqua ai tuffatori Permette lo sci nautico a piedi nudi Consente ad alcuni insetti di “camminare” sulla superficie Causa il fenomeno del menisco e della capillarità