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

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 dell’ultimo 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. LEGAMI CHIMICI

O O 2H2 + O2 → 2H2O H H Cl O N H H2O H2O2 acqua ossigenata acqua Il legame chimico esistente tra gli atomi determina il comportamento chimico della sostanza. O H acqua ossigenata H2O2 O H acqua H2O 2H2 + O2 → 2H2O La rappresentazione di Lewis Cl G. N. Lewis (1875 – 1946) O N H LEGAMI CHIMICI

LEGAME COVALENTE Nella configurazione elettronica esterna si definisce: Singoletto o elettrone spaiato Doppietto Il legame covalente si realizza tra due atomi che abbiano nell’ultimo 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 dell’attrazione di ambo i nuclei atomici e ruotano intorno ad entrambi. + H 1S1 Atomi isolati Essi non appartengono più ai singoli atomi, bensì ad ambedue: i due atomi hanno messo ognuno in compartecipazione un orbitale con un elettrone + H Molecola d’idrogeno LEGAMI CHIMICI

Cl H Cl O N H H O N ammoniaca acqua Molecola: gruppo di atomi legati da legame covalente Cl H Molecola di acido cloridrico HCl Legame singolo Cl Molecola di cloro Cl2 I due atomi sono legati tramite una sola coppia di legame Gli elettroni non coinvolti nel legame formano coppie di non legame ammoniaca N H O H acqua Legame doppio I due atomi sono legati tramite due coppie di legame Legame triplo O Molecola di ossigeno O2 Molecola di azoto N2 N I due atomi sono legati tramite tre coppie di legame LEGAMI CHIMICI

Formula minima (o bruta): indica il tipo di atomi presenti nella sostanza con le loro reciproche proporzioni HO Formula molecolare: (solo per le molecole) indica il reale raggruppamento di atomi che formano la molecola H2O2 H2O In tantissimi casi formula minima e formula molecolare coincidono Dipolo elettrico: coppia di cariche elettriche di uguale grandezza, ma di segno opposto, separate da una certa distanza + ─ 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) 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 + H LEGAMI CHIMICI

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

Ione ammonio NH4+ N H H+ N 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 Cl− Na+ 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 all’elemento meno elettronegativo. L’elemento più elettronegativo diventa un anione, mentre l’elemento meno elettronegativo diventa un catione. Anioni e cationi si attirano con una forza di tipo elettrostatico LEGAMI CHIMICI

Il legame è adirezionale Ogni catione è attratto da tutti gli anioni che lo circondano e viceversa. Il legame è adirezionale Il legame ionico è molto forte 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+ LEGAMI CHIMICI

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 NH4+ S SO42- O Si comportano esattamente come gli ioni monoatomici, coi quali possono formare legami, essendo tuttavia più grossi rispetto a questi ultimi CO32- C O Possono essere sia anioni, che cationi Solo i non metalli (più Cr e Mn) possono formare ioni poliatomici I tipi più comuni di ioni che si riscontrano nei vari gruppi 1° gruppo: solo cationi monoatomici monovalenti (Na+; K+ ecc.) 2° gruppo: solo cationi monoatomici bivalenti (Mg 2+; Ca 2+ ecc.) 3° gruppo: cationi monoatomici trivalenti (Al 3+) e anioni poliatomici (BO33-) LEGAMI CHIMICI

4° gruppo: cationi monoatomici tetravalenti (Sn4+; Pb4+) e bivalenti (Sn2+; Pb2+); anioni poliatomici (CO32-; SiO44-) 5° gruppo: raramente ioni monoatomici positivi (Bi3+) o negativi (N3-); più spesso anioni poliatomici (NO3-; PO33- ecc.) 6° gruppo: anioni monoatomici bivalenti (O2-; S2-); anioni poliatomici (SO42-; SO32-) 7° gruppo: anioni monoatomici monovalenti (Cl-; F-; ecc.); anioni poliatomici (ClO4-; ClO-; BrO4- ecc.) La transizione dal legame covalente a quello ionico avviene gradualmente, con l’aumento della differenza di elettronegatività LEGAMI CHIMICI

+ + LEGAME METALLICO I metalli hanno bassa energia di ionizzazione In un solido metallico ogni atomo mette a disposizione del legame alcuni dei suoi elettroni più esterni, condividendoli con tutti gli altri atomi legati. 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 l’elettricità LEGAMI CHIMICI

Nelle sostanze covalenti vi sono due diversi tipi di legame: LEGAME TRA MOLECOLE Lo stato fisico di una sostanza dipende dall’energia 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 LEGAMI CHIMICI

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

Legame dipolo - dipolo: si realizza nelle molecole polari e consiste nell’attrazione 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 dell’idrogeno legato ad elementi molto elettronegativi O H δ+ δ- O H L’esempio più importante è l’acqua, dove un atomo di idrogeno di una molecola si lega ad una coppia di non legame di un ossigeno di un’altra molecola H F Acido fluoridrico LEGAMI CHIMICI

Legami tra molecole non polari (tra atomi di gas nobili) 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 CHIMICI

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 all’aumentare delle dimensioni delle molecole coinvolte, che diventano più facilmente polarizzabili. LEGAMI CHIMICI

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

→ 2H2 O2 + 2H2O ENERGIA DI LEGAME E’ l’energia 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 uniti Energia di legame 2H2 O2 + → 2H2O LEGAMI CHIMICI

Energia di legame in kJ/mole H−H 463 N≡N 941 H−F 565 H−Cl 431 H−Br 364 H−I 297 H−O HO 29 O═O 494 C═O 707 C−C 348 C−H 413 Li+ H− 244 Na+ H− 201 K+ H− 180 L’energia di legame dipende da tre fattori: 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 LEGAMI CHIMICI

THE END LEGAMI CHIMICI