UNITA' DIDATTICA: I LEGAMI CHIMICI.

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1 UNITA' DIDATTICA: I LEGAMI CHIMICI

2 CONTENUTI I gas nobili e la regola dell'ottetto. Il legame covalente.
La scala dell'elettronegatività e i legami. Il legame ionico. II legame metallico. La tavola periodica e i legami fra due elementi. Teoria del legame di valenza. Cenni alla teoria degli orbitali molecolari.

3 Perche’ si formano i legami?
La tendenza degli atomi a formare molecole legandosi mediante legami chimici Gli elementi presenti in natura sono 89. generale tendenza di un sistema a raggiungere una situazione stabile, a minore contenuto di energia. Come è possibile che appena 89 atomi diversi producano più di 15 milioni di sostanze diverse? L’energia della molecola formata è inferiore rispetto a quella dei due atomi isolati: Tutti i corpi dell'Universo esistono perché questi 89 atomi si aggregano, in vario modo, fra loro. Ecco la prova più evidente dell'esistenza del legame chimico! A + B → AB + energia ENERGIA DI LEGAME: Quantità di energia necessaria a rompere il legame in una mole di sostanza. La stabilità di una molecola, quindi, è tanto maggiore, quanto più elevata è la sua energia di legame.

4 I gas nobili e la regola dell’ottetto
Elettroni del livello energetico più esterno: elettroni di valenza Essi giocano un ruolo molto importante nella formazione dei legami! Struttura di Lewis Configurazione elettronica Numero di elettoni di valenza 1s2 2 1s2 2s2 2p6 8 ls2 2s2 2p6 3s2 3p6 (Ar) 4s2 3d10 4p6 (Kr) 5s2 4dlO 5p6 (Xe) 6s2 4f14 5d10 6p6

5 La regola dell’ottetto
1916: il Prof. Lewis notò che tutti i gas nobili tranne l’He presentavano nell’ultimo livello otto elettroni, con configurazione ns2np6. Lewis attribuì la stabilità chimica di questi gas scarsamente reattivi all’OTTETTO elettronico che caratterizzava il loro strato esterno ipotizzò che anche gli altri elementi tendessero a raggiungere questo stato di stabilità cedendo, acquistando o condividendo elettroni, per assumere la configurazione elettronica del gas nobile precedente o seguente: Nella formazione di un legame chimico gli atomi hanno la tendenza a formare uno strato elettronico esterno simile a quello dei gas nobili perdendo o acquistando e-.

6 TIPI DI LEGAME LEGAME COVALENTE LEGAME IONICO LEGAME METALLICO
Tale suddivisione non va però interpretata in modo rigoroso: benché ogni tipo di legame presenti caratteristiche ben definite, in molti casi si possono formare legami di tipo intermedio. Ciò in particolare si verifica nel caso dei legami ionici e covalenti.

7 LEGAME COVALENTE Legame che si stabilisce tra due atomi in seguito a compartecipazione di una o più coppie di elettroni. Esempio: H2 H H2 i 2 atomi di H mettono in comune il loro e- H + col simbolismo di Lewis Questa coppia di e- (doppietto elettronico) si muove in uno spazio intorno ad entrambi i nuclei in modo che ognuno di essi raggiunge la configurazione stabile dell‘He.

8 LEGAME COVALENTE In H2 ogni e- risente di 2 protoni e su ogni protone agiscono 2 e-. 0,74 Å -431 KJ/mol distanza in ångstrom energia potenzialle repulsione attrazione In realtà, si generano anche forze repulsive tra le 2 nuvole elettroniche e tra i nuclei ma, quando i due atomi si uniscono, i nuclei si sistemano ad una distanza tale che si raggiunge un equilibrio tra queste forze opposte.

9 LEGAME COVALENTE Anche gli alogeni, che presentano 7 elettroni nel livello energetico più esterno, formano molecole biatomiche (F2, Cl2, Br2, l2) in cui gli atomi si legano mediante compartecipazione di una coppia di elettroni. Ad esempio, consideriamo la molecola di cloro, Cl2. + Cl la formazione del legame covalente consente a ciascun atomo di Cl di avere otto elettroni esterni.

10 LEGAME COVALENTE La tendenza a mettere in comune gli elettroni si manifesta anche fra atomi di natura diversa. Es: gli acidi alogenidrici (HF, HCI, HBr, HI) sono costituiti da molecole biatomiche in cui l‘H e l'alogeno sono legati mediante un legame covalente. H Cl + HCl Altri es: 2H O + H H2O N + H 3H NH3

11 VALENZA Valenza : numero di elettroni che un atomo guadagna, perde o mette in comune quando si lega con altri atomi. Per i primi 4 gruppi del sistema periodico il numero di legami, o valenze, dipende dal numero di e- più esterni: questi elementi, infatti, tendono ad assumere la configurazione elettronica del gas nobile che li precede. Invece, la valenza degli ultimi quattro gruppi è determinata dal numero di e- che servono per arrivare a 8 (struttura del gas nobile che segue l'elemento). Perciò, la valenza lungo un periodo varia così: Gruppo I II III IV V VI VII VIII Valenza 1 2 3 4

12 LEGAMI COVALENTI MULTIPLI
Gli atomi possono raggiungere la configurazione stabile di un gas nobile condividendo anche due o tre coppie di elettroni. Se gli atomi scambiano: due elettroni (una coppia) legame singolo quattro elettroni (2 coppie) legame doppio sei elettroni (3 coppie) legame triplo Es.: N2 Es.: O2 atomo di ossigeno O + molecola di ossigeno Elettroni che appartengono allo stesso tempo ai 2 atomi doppio legame (4 elettroni) atomo di azoto N + molecola di azoto Elettroni che appartengono contemporaneamente ai 2 atomi Triplo legame (6 elettroni)

13 ORDINE DI LEGAME L’ordine (o molteplicità) di legame tra due atomi uniti fra loro da un legame covalente indica il numero di coppie di elettroni che essi condividono. Es.: nella molecola di azoto (N2), l'ordine di legame è 3. L'ordine di legame trova un riscontro sperimentale nella lunghezza e nell'energia necessaria per rompere il legame: Legame Energia (kj/mol) Lunghezza (Å) Singolo - 347 1,54 Doppio = 598 1,34 Triplo ≡ 812 1,20

14 LEGAME COVALENTE DATIVO
Nel legame covalente dativo, la coppia di elettroni condivisa è fornita da uno solo degli atomi partecipanti al legame: se un atomo che ha già raggiunto l'ottetto esterno possiede ancora 1 o più coppie di elettroni liberi, può comportarsi da donatore nei confronti di un atomo accettore, che in questo modo raggiunge a sua volta l'ottetto. l'atomo donatore è il non metallo, che ha elettronegatività inferiore all'ossigeno Esempi: HClO4, H2SO4, HNO3

15 LEGAME COVALENTE DATIVO
Esempio : acido perclorico HClO4. Configurazione elettronica del Cl: 1s22s22p63s23p5 3s 3p 7 elettroni nello strato di valenza In HClO, l'atomo di Cl raggiunge l'ottetto formando un legame covalente con un atomo di O: O H Cl OH Il Cl però possiede ancora 3 coppie di e- non impegnate in alcun legame Il Cl può fungere da donatore di e- nei confronti di tre atomi di ossigeno (accettori), con i quali stabilisce tre legami covalenti dativi dando origine alla molecola dell'acido perclorico HClO4 O Cl OH Legami dativi

16 LEGAME COVALENTE DATIVO
Esempio : ione ammonio NH4+ . In NH3, l‘N, che forma tre legami covalenti con tre atomi di H, dispone ancora di una coppia di elettroni liberi. L‘N si comporta quindi da donatore nei confronti dello ione H+ per formare un tipo particolare di legame dativo detto legame di coordinazione: H N + H+ Ione ammonio + legame dativo → formazione di una molecola neutra legame di coordinazione → formazione di uno ione

17 Scala di elettronegatività e legami
Se 2 atomi identici sono uniti da legami covalenti, essi esercitano la stessa forza di attrazione sugli elettroni di legame. Legame covalente puro Legame covalente polare Se gli atomi sono di natura diversa, essi eserciteranno sugli elettroni di legame una diversa forza di attrazione. H Cl δ+ δ- elettronegatività 2,1 3,0 Carica positiva parziale Carica negativa parziale dipolo Es.: acido cloridrico, HCI Il Cl è più elettronegativo dell‘H: la coppia di e- comuni è spostata verso l'atomo di Cl Il centro delle cariche positive non coincide più con il centro delle cariche negative e si forma un dipolo (cioè una separazione di cariche).

18 legame covalente polare
Scala di elettronegatività e legami fluoro 4,0 ossigeno 3,5 cloro 3,0 azoto 3,0 cesio e francio 0,7 legame ionico ∆e ≤ 0,4 0,4 1,9 ∆e ≤ 1,9 legame covalente puro legame covalente polare Tanto maggiore è la differenza di elettronegatività Δe fra i 2 atomi che formano il legame, tanto più elevati sono il carattere ionico e la polarità del legame.

19 LEGAME IONICO Es.: formazione del legame ionico tra un atomo di Na e un atomo di Cl Quando la differenza di elettronegatività fra i due elementi che si legano è superiore a 1.9, avviene un trasferimento di e- da un atomo all'altro. Il valore di elettronegatività del Na (0,9) è molto più basso del valore di elettronegatività del Cl (3,0); perciò l’elettrone 3s del sodio è trasferito nel posto vuoto dell'orbitale 3p del cIoro. Fra questi due ioni di carica opposta, che si attraggono, si forma un nuovo tipo di legame, chiamato legame ionico. Na Cl Na+ [Ne] Cl- [Ar] Gli ioni prodotti dal trasferimento dell'elettrone sono dotati di carica opposta e per questo si attraggono. La forza elettrostatica che si stabilisce tra gli ioni e che li tiene uniti è il legame ionico.

20 NaCl

21 NaCl In realtà, in condizioni normali non si forma la coppia tra un solo ione Na+ ed un solo ione Cl- ma si formano aggregati di grandi dimensioni, in cui gli ioni sono nel rapporto di 1 a 1 e sono sistemati in una ben definita struttura cristallina. Nel cristallo, ogni ione Na+ è circondato da 6 ioni Cl- e, viceversa, ogni ione Cl- è circondato da 6 ioni Na+. La struttura che ne deriva è particolarmente compatta e stabile. Il legame ionico per sua natura non è direzionale!

22 LEGAME METALLICO LEGAME METALLICO
I metalli sono caratterizzati da: basse energie di ionizzazione bassi valori di elettronegatività A livello macroscopico presentano: alta densità elevati punti di fusione e di ebollizione buona conducibilità termina ed elettrica duttilità malleabilità Le proprietà dei metalli non sono spiegabili in termini di legame ionico o covalente. LEGAME METALLICO

23 LEGAME METALLICO La maggior parte dei metalli presenta strutture cristalline compatte, in cui ogni atomo interagisce con gli atomi circostanti. Secondo un modello semplice, il metallo viene rappresentato da un reticolo di ioni positivi immersi in un mare di elettroni liberi di muoversi all’interno del reticolo e che non appartengono a nessuno ione particolare (sono delocalizzati). Gli elettroni, carichi negativamente, attraggono gli ioni positivi e tengono insieme i nuclei, garantendo la stabilità della struttura.

24 La tavola periodica e i legami tra gli elementi
La tavola periodica è lo strumento più semplice per individuare il tipo di legame che si forma tra gli atomi dei diversi elementi: 1. i metalli formano fra loro legami metallici 2. i non metalli formano fra loro legami covalenti 3. i metalli e i non metalli si uniscono mediante legami ionici Metallo H C, Si F, Cl, Br, I O M I C