I legami presenti nella molecola del metano CH4 non possono essere giustificati pensando l’atomo del Carbonio con un orbitale s e tre orbitali p nel livello quantico più esterno; la molecola non è planare come suggerirebbe la formula di Lewis, bensì TETRAEDRICA 109°,28’ In altri termini l’atomo di Carbonio ibridizza i suoi 4 elettroni di valenza in 4 orbitali equivalenti sp3 C= 1s22s22p2 sp3 + 65 kcal/mol C (sp3)1 (sp3)1 (sp3)1 (sp3)1 In altri termini se si fosse solo promosso 1 elettrone 2s a 2p la forma degli orbitali sarebbe secondo questo semplice schema e non già con l’atomo di carbonio al centro di un tetraedro ed angoli di 109°,28’ L’atomo di Carbonio invece ibridizza i suoi 4 elettroni di valenza in 4 orbitali equivalenti sp3 ; Att.: 4sp3 significa 4 elettroni, senza riferimento al numero quantico principale! 2s 2px 2py 2pz

le ibridazioni ibridazione sp2 C (sp2)1 (sp2)1 (sp2)1p1 l’elettrone p non ibridato forma un orbitale π planare un legame planare, sp2, ed un piramidale, sp3, a confronto la distribuzione elettronica che è tipica di 3 orbitali sp2 e di un orbitale π C (sp2)1 (sp2)1 (sp2)1p1

ibridazione sp C (sp)1 (sp)1 p1p1 Formula di Lewis Forma Ibridazione Esempio tetraedrica sp3 CH4 ; NH4+ piramidale NH3 ; H3O+ triangolare H2O sp2 NO2- ; SO2 planare SO3 ; CO3 2- lineare sp HCN ; CO2 ibridazione sp gli elettroni p non ibridati formano 2 orbitali π intorno al legame σ dell’ibridato C (sp)1 (sp)1 p1p1

Benzene E’ un anello di atomi di carbonio completamente coniugati; in questa molecola non esistono né doppi legami né legami singoli; TUTTI i legami carbonio-carbonio hanno carattere intermedio 1.53 Å 1.33 Å 1.38 Å formula limite formula reale formula limite

Maggiore è la molteplicità di legame, più fortemente sono legati gli atomi, e minore è la distanza interatomica C-C etano C=C etene C≡C etino distanza di legame, Å 1.50 1.20 C≈C benzene 2.0 Nel benzene la molteplicità è 1.5 1.0 3.0 molteplicità Visualizzazioni della delocalizzazione degli elettroni p impegnati in π

Le proprietà allotropiche dell’atomo di Carbonio Il Carbonio appartiene al gruppo IVA, 2s22p2, insieme al Silicio, al Germanio lo Stagno ed il Piombo. Questi elementi hanno la tendenza a dare legami covalenti (1/2 gas nobile) specialmente Carbonio e Silicio Il Carbonio forma un numero enorme di idruri (centinaia di migliaia); il Silicio NON va oltre Si6H14; gli idruri del Carbonio hanno catena lineare e ramificata Il Carbonio forma legami multipli sovrapponendo orbitali p, con altri Carboni ed altri elementi, formando legami π; il Silicio NON forma legami π. CO2 fonde a -56°C a 5.11 Atm; SiO2 fonde a 1710 °C Legami Si-Si= 50 kcal/mol Si-O= 100 kcal/mol; C-C= 80 kcal/mol C-O= 80 kcal/mol La CO2 è una molecola lineare; SiO2 è un cristallo tetraedrico macromolecolare insolubile e di tipo rigidamente ordinato (SiO2)n

in aggiunta uno o più degli elettroni può partecipare in legami Il Carbonio può dare molti legami : 1 legame triplo ed un singolo sp (H-C≡N) 2 doppi sp (CO2),1 doppio e 2 singoli sp2 (H2C=CH2), 4 singoli sp3 (CH4); in aggiunta uno o più degli elettroni può partecipare in legami covalenti delocalizzati Allotropia del Carbonio Proprietà Diamante Grafite Aspetto Frammenti ottaedrici regolari Cristalli piccoli e grandi, fioccosi Colore Trasparente, giallo, bruno Nera Trasmissione luce Sì; elevata rifrazione Opaca Densità 3.5 2.2 Durezza Elevatissima Tenerissima Conducibilità NO 1000 volte < Cu

La grafite, sono in evidenza gli orbitali p delocalizzati; tutti diamante grafite La grafite, sono in evidenza gli orbitali p delocalizzati; tutti gli atomi di C sono sp2 fullerene nanotubi

(Idrocarburi= Carbonio+Idrogeno) Gli alcani Formula generale= CnH2n+2 , con n=qualsiasi intero (Idrocarburi= Carbonio+Idrogeno) Metano, CH4; idrogeni equivalenti Etano, C2H6; idrogeni equivalenti Propano, C3H8; idrogeni non equivalenti; carbonio centrale secondario porta 2 H secondari; la sostituzione degli idrogeni genera ISOMERI 1-cloropropano 2-cloropropano

Butani: al plurale poiché esistono 2 composti C4H10 cioè 2 isomeri; il propano può sostituire idrogeni sui carboni primari e secondari, sostituendo con un -metile un primario si ottiene il n-butano, sostituendo un secondario l’isobutano iso-butano n-butano il prefisso n- indica una catena lineare, iso- indica una catena ramificata; nel n-butano ci sono 2 carboni primari e 2 secondari, nell’iso-butano ci sono 3 primari ed 1 terziario i 2 composti sono isomeri di catena Pentani: a 36°C bollono; nel n-pentano gli idrogeni secondari non sono equivalenti; in isopentano non lo sono gli idrogeni primari n-pentano neo-pentano carbonio quaternario iso-pentano

ISOMERI: a seconda della temperatura, del solvente etc. una molecola può assumere diverse CONFORMAZIONI; esse sono liberamente interconvertibili tra loro; gli ISOMERI NON sono liberamente interconvertibili tra loro Un CONFORMERO non è un ISOMERO Il prefisso n- si riferisce sempre a catene lineari; il prefisso iso- si riferisce sempre a catene ramificate neo-esano Esani: C6H14; ci sono 5 isomeri possibili iso-esano 2,3-dimetilbutano 3-metilpentano

Formula molecolare n° di isomeri CH4 1 C2H6 C3H8 C4H10 2 C5H12 3 C6H14 Numero di isomeri di catena: per osservarlo ci vogliono 4 atomi di Carbonio; il numero possibile aumenta all’aumentare del numero di atomi di Carbonio Formula molecolare n° di isomeri CH4 1 C2H6 C3H8 C4H10 2 C5H12 3 C6H14 5 C7H16 9 C8H18 35 C14H20 1858 C30H62 4,111,846,763

I gruppi funzionali: atomi o gruppi di atomi, Formula Nome Classe strutturalmente definiti, che forniscano ad un alcano nuove proprietà; i gruppi conferiscono proprietà, reattività e caratteri simili - nel gruppo- e diversi dagli altri gruppi; sostanze con più di un gruppo funzionale avranno proprietà intermedie Formula Nome Classe -HC=CH- Doppio Alcheni -C≡C- Triplo Alchini -OH Ossidrile Alcoli -OR Alcossi Eteri -HC=O Formile Aldeidi -C=O Carbonile Chetoni -COOH Carbossile Acidi carbossilici -COOR Carboalcossi Esteri -NH2 Amminico Ammine