LA STRUTTURA DELLA MATERIA

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1 LA STRUTTURA DELLA MATERIA
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE LA STRUTTURA DELLA MATERIA La struttura dell’atomo: il nucleo La struttura dell’atomo: gli elettroni - Il legame chimico - Le forze di interazione intermolecolari

2 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Il legame chimico L'esistenza di molecole poliatomiche implica che debbano esistere interazioni fra atomi tali da formare aggregati energeticamente stabili: quando il guadagno di energia nella formazione di un aggregato di atomi è pari o superiore a 40 kJ/mol si può dire che si è formato un legame chimico. Vedremo che gli atomi si uniscono a formare molecole cedendo o acquistando elettroni o mettendoli in comune. In base a ciò i legami si distinguono in: Legame ionico, legame covalente (puro e polare), legame metallico ENERGIA DI LEGAME Nel caso di una molecola biatomica l'energia di legame è definita come l'energia necessaria per rompere il legame - cioè è l’energia che occorre impiegare per separare gli atomi contenuti nella molecola es. H2(gas) = 2 H(gas) D(H-H)=436 kJ/mol

3 Maggiore è l’energia di legame, più forte è il legame chimico.
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE molecola Energia di legame in kJ/mol N2 945 O2 498 F2 460 Cl2 243 CO 1077 HI 299 Maggiore è l’energia di legame, più forte è il legame chimico.

4 distanza internucleare
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE DISTANZA DI LEGAME: nel caso di una molecola biatomica è definita come la distanza media fra i nuclei dei due atomi legati termine repulsivo: per distanze molto piccole prevalgono le forze repulsive fra elettroni-elettroni e nuclei-nuclei:l’energia aumenta bruscamente Uenergia potenziale per valori grandi di distanza internucleare, le forze di interazione fra gli atomi sono nulle e l’energia potenziale di interazione vale 0 r distanza internucleare r0 termine attrattivo: all’avvicinarsi degli atomi si istaurano delle forze di interazione fra le nuvole elettroniche di un atomo e il nucleo di un altro: l’energia diminuisce

5 Distanza di legame (nm)
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE molecola Distanza di legame (nm) F2 0,142 N2 0,1094 NO 0,1151 CO 0,1128

6 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Legame ionico Il legame ionico è un legame di natura elettrostatica che si forma quando si combinano fra loro gli atomi di elementi aventi, rispettivamente, un basso potenziale di ionizzazione e una affinità elettronica molto negativa. Es. Na (basso PI) + Cl (AE molto negativa)  NaCl L’elemento con basso potenziale di ionizzazione trasferisce un elettrone all’elemento con affinità elettronica molto negativa: il primo si carica quindi positivamente, mentre il secondo si carica negativamente. A questo punto fra i due ioni di carica opposta subentra una attrazione di tipo elettrostatico (legge di Coulomb)

7 Na 3s1 Cl 3s23p5 Na+ 2s22p6 Cl- 3s23p6 attrazione elettrostatica
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Na 3s1 Cl 3s23p5 Na+ 2s22p6 Cl- 3s23p6 attrazione elettrostatica

8 1) dobbiamo spendere energia per formare Na+
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Consideriamo da una punto di vista energetico la formazione di una molecola di NaCl isolata (allo stato gassoso): 1) dobbiamo spendere energia per formare Na+ Na(gas)  Na+(gas) + elettrone PI=496 kJ/mol 2) abbiamo un rilascio di energia quando da Cl passiamo a Cl- Cl(gas) + elettrone  Cl-(gas) AE=-350 kJ/mol Sommando PI del sodio a AE del cloro, abbiamo un numero positivo; cioè se non intervenissero altri fattori, la molecola di NaCl non potrebbe essere stabile! PI+AE= +146 kJ/mol non ci sarebbe cioè guadagno di energia e quindi stabilizzazione

9 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Se considero nel bilancio energetico anche l’interazione coulombiana fra cariche di segno opposto U = - q2 / r per NaCl U=-589 kJ/mol e quindi Na(gas)  Na+(gas) + elettrone PI=496 kJ/mol Cl(gas) + elettrone  Cl-(gas) AE=-350 kJ/mol Na+(gas) + Cl-(gas)  NaCl(gas) U=-589 kJ/mol Na(gas) + Cl(gas)  NaCl(gas) guadagno energetico= kJ/mol

10 nelle normali condizioni di temperatura e pressione
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Se anziché una molecola isolata in fase gassosa consideriamo un reticolo monodimensionale, la stabilizzazione dovuta all'interazione coulombiana è maggiore (U=-766 kJ/mol) e nel solido tridimensionale (situazione reale) è ancora maggiore Na+ Cl- Na+ Cl- Na+ Cl- Na+ Cl- Na+ Cl- ogni ione Na+ interagisce con sei ioni Cl- i composti ionici sono sempre solidi nelle normali condizioni di temperatura e pressione ogni ione Cl- interagisce con sei ioni Na+

11 scambio di un elettrone
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Cristallo di KCl K [Ar] 4s1 Cl [Ne] 3s23p5 scambio di un elettrone K+ [Ar] Cl- [Ne] 3s23p6=[Ar] Cristallo di MgS Mg [Ne] 3s2 S [Ne] 3s23p4 scambio di 2 elettroni Mg++ [Ne] S= [Ne] 3s23p6=[Ar] gli ioni che si formano per cessione o acquisto di elettroni ‘mimano’ la configurazione del gas nobile più vicino

12 Come si riconosce un composto/solido ionico?
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Come si riconosce un composto/solido ionico? I composti ionici sono sempre formati da elementi spiccatamente metallici (quelli che cedono facilmente un elettrone, PI piccolo) uniti a elementi spiccatamente non-metallici (quelli che accettano facilmente un elettrone, AE molto negativa). PI piccolo AE molto negativa

13 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE In ragione del tipo di legame che caratterizza i composti ionici, essi manifestano alcune proprietà caratteristiche: 1) In condizioni normali non formano una singola molecola, ma un intero reticolo cristallino in cui ogni ione positivo (catione) si circonda di ioni negativi (anioni) e viceversa configurazione di massima stabilità energetica 2) I solidi ionici sono caratterizzati da alte temperature di fusione – questo perché nel corpo del liquido gli ioni positivi e negativi non sono posizionati in maniera regolare (con relativa minimizzazione della energia) come nel solido NB: il solido non è un buon conduttore di elettricità, il liquido si! 3) I solidi ionici risultano facilmente solubili in solventi polari come l’acqua

14 H fa eccezione (due elettroni)
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Legame covalente I composti in cui sono presenti i legami ionici sono in numero limitato. Nella maggior parte dei composti gli atomi sono legati fra loro in modo da raggiungere una configurazione più stabile (a minor energia) non per cessione e acquisto di un elettone, ma per messa a comune (condivisione, compartecipazione) di una coppia di elettroni Lewis 1927: il legame covalente si forma in seguito alla condivisione fra due atomi di una o più coppie di elettroni in modo da far raggiungere a ciascun atomo la configurazione elettronica di una gas nobile – le coppie elettroniche di legame si formano per accoppiamento di elettroni spaiati originariamente presenti negli atomi isolati regola dell’ottetto H fa eccezione (due elettroni)

15 Es. il cloro ha sette elettroni esterni [Ne] 3s23p5 notazione di Lewis
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Es. il cloro ha sette elettroni esterni [Ne] 3s23p5 notazione di Lewis la formazione di un legame si ha per messa a comune degli elettroni spaiati di ciascun atomo di Cl : . Cl : . Cl + ogni atomo di cloro ha intorno a sé 8 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica di Ar)

16 DOPPIO LEGAME Es. l’ossigeno ha sei elettroni esterni [He] 2s22p4
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Es. l’ossigeno ha sei elettroni esterni [He] 2s22p4 notazione di Lewis la formazione di un legame si ha per messa a comune degli elettroni spaiati di ciascun atomo di O – questa volta sono due elettroni per ciascun atomo : . O + O : :: . ogni atomo di ossigeno ha intorno a sé 8 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica di Ne) DOPPIO LEGAME

17 TRIPLO LEGAME Es. l’azoto ha cinque elettroni esterni [He] 2s22p3
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Es. l’azoto ha cinque elettroni esterni [He] 2s22p3 notazione di Lewis la formazione di un legame si ha per messa a comune degli elettroni spaiati di ciascun atomo di N – questa volta sono tre elettroni per ciascun atomo . : N . : N . : N + N ::: N : : ogni atomo di azoto ha intorno a sé 8 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica di Ne) TRIPLO LEGAME

18 Caso delle molecole eteronucleari
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Cl2, O2 e N2 sono molecole omonucleari, vale a dire che gli atomi che risultano uniti in seguito alla formazione del legame sono identici Caso delle molecole eteronucleari Es. il fluoro ha sette elettroni esterni [He] 2s22p5 l’idrogeno ha un elettrone esterno 1s1 notazione di Lewis la formazione di un legame si ha per messa a comune dell’elettrone spaiato dell’atomo di idrogeno e quello spaiato di tipo p dell’atomo di fluoro : . F + H L’atomo di idrogeno ha intorno a sé 2 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica dell’He) mentre il fluoro ha intorno a sé 8 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica di Ne)

19 Molecole con più di due atomi
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Molecole con più di due atomi Es. La molecola di acqua H2O l’ossigeno ha sei elettroni esterni [He] 2s22p4 l’idrogeno ha un elettrone esterno 1s1 notazione di Lewis si ha la formazione di due legami in cui si ha per messa a comune degli elettroni spaiati di O con l’elettrone spaiato di ciascun atomo di H : . O H + 2 O : . H l’atomo di ossigeno ha intorno a sé 8 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica di Ne) l’atomo di idrogeno ha intorno a sé 2 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica di He)

20 Molecole con più di due atomi
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Molecole con più di due atomi Es. La molecola di ammoniaca NH3 l’azoto ha cinque elettroni esterni [He] 2s22p3 l’idrogeno ha un elettrone esterno 1s1 notazione di Lewis si ha la formazione di tre legami in cui si ha per messa a comune degli elettroni spaiati di N con l’elettrone spaiato di ciascun atomo di H . : N . H H : . : N . H + 3 H : N : H : l’atomo di azoto ha intorno a sé 8 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica di Ne) l’atomo di idrogeno ha intorno a sé 2 elettroni (acquisisce la configurazione elettronica di He)

21 Legame covalente puro e legame covalente polare
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Legame covalente puro e legame covalente polare Se gli elettroni di legame sono in perfetta compartecipazione fra gli atomi si ha un legame covalente puro – in pratica solo le molecole omonucleari sono caratterizzate da un legame covalente puro perché, essendo i nuclei identici, nessuno di essi avrà una maggiore “affinità” per gli elettroni. Se gli atomi sono diversi, gli elettroni si disporranno in maniera asimmetrica, con densità maggiore in corrispondenza dell’atomo che ha maggiore “affinità” per gli elettroni. L’elettronegatività rappresenta la capacità di un atomo di attrarre verso di sé gli elettroni messi in compartecipazione durante la formazione del legame affinità elettronegatività - l’affinità elettronica è riferita ad un atomo isolato ed è una forma di energia l’elettronegatività è riferita ad un atomo che ha formato un legame e non è una forma di energia

22 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Elettronegatività i non-metalli hanno elettronegatività maggiore dei metalli; il fluoro è l’elemento più elettronegativo (anche ossigeno, azoto e cloro sono molto elettronegativi), il cesio (e anche gli altri metalli alcalini) è l’elemento meno elettronegativo

23 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Maggiore è la differenza di elettronegatività fra gli elementi che formano la molecola, maggiore è il carattere polare del legame covalente. Di fatto si viene a distorcere la densità elettronica in favore dell’atomo più elettronegativo che assume una parziale carica negativa, l’atomo meno elettronegativo assume una parziale carica positiva. Questa asimmetria di cariche si chiama “dipolo” Es. H 2,1 Cl 2, H - Cl Legame ionico: caso limite con grande differenza di elettronegatività + - quindi la molecola di HCl è caratterizzata da un legame covalente polare criterio: se la differenza di elettronegatività è > 1,9 si ha un legame ionico

24 La geometria delle molecole
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE La geometria delle molecole I legami covalenti sono direzionali, cioè hanno una orientazione caratte-ristica nello spazio. Se un atomo centrale forma più di un legame covalente con altre specie atomiche osserviamo che i legami si dispongono con una orientazione tipica  si parla quindi di angolo di legame (l’angolo formato da una coppia di legami) esempio: molecola di metano CH4 l’atomo centrale di carbonio forma 4 legami covalenti con altrettanti atomi di idrogeno; gli angoli compresi fra ciascuna coppia di legami sono esattamente uguali e pari a 109,5° La forma geometrica di una molecola può essere prevista in base alla teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) secondo la quale gli atomi si dispongono intorno all’atomo centrale in modo tale da ridurre la repulsione fra le coppie di elettroni, siano esse di legame oppure no.

25 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE a seconda del numero coppie di elettroni facenti capo all’atomo centrale, quindi, avremo diverse geometrie che in definitiva tendono ad allontanare il più possibile le coppie di elettroni (miglior modo per minimizzare la repulsione reciproca)

26 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE

27 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE NB la geometria della molecola può influenzare il fatto che ci sia un dipolo oppure no in presenza di legami covalenti polari Per esempio la molecola di CO2 è lineare (O=C=O) e quindi ricade nel caso a) e non ha un dipolo, nonostante i due legami C=O siano covalenti polari; la molecola di acqua H2O, invece, è piegata e ricade nel caso b); l’acqua è quindi una molecola polare

28 Gli orbitali molecolari 1.
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Gli orbitali molecolari 1. Un modo più corretto per descrivere il legame covalente fa uso del concetto di orbitale molecolare introdotto in maniera analoga a quanto visto con gli orbitali atomici. Si tratta quindi di risolvere l’equazione di Schroedinger per un sistema con due (o più) nuclei e i relativi elettroni tale calcolo è piuttosto complesso e si ricorre a delle semplificazioni Per esempio, la forma degli orbitali molecolari sarà relazionata agli orbitali atomici di partenza. Un metodo per risolvere questo problema è il metodo del legame di valenza (indicato comunemente con VB da valence bond). Secondo questa teoria un legame covalente si forma quando gli orbitali dei due atomi si sovrappongono e sono occupati da una coppia di elettroni con spin opposto Es. la molecola di H2 la configurazione elettronica di H è 1s1, cioè entrambi gli atomi di H di partenza hanno un elettrone in un orbitale s

29 1s  i due orbitali s si sono fusi a formare un orbitale molecolare 
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE 1s i due orbitali s si sono fusi a formare un orbitale molecolare   gli orbitali di tipo  (sigma) hanno geometria cilindrica

30 Cl2 3pz i due orbitali p si sono fusi
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE 3pz i due orbitali p si sono fusi a formare un orbitale molecolare  Cl2 Cl [Ne]3s23p5 uno degli orbitali p è occupato da un solo elettrone gli orbitali di tipo  (sigma) hanno geometria cilindrica

31 3px 3px i due orbitali p si sono fusi a formare un
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE 3px 3px i due orbitali p si sono fusi a formare un orbitale molecolare 

32 N2 N [He]2s22p3 i sei orbitali p si sono fusi a formare un
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE N2 N [He]2s22p3 i sei orbitali p si sono fusi a formare un orbitale molecolare  e due orbitali  triplo legame

33 promozione di un elettrone da un orbitale s a un orbitale p
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE GEOMETRIE MOLECOLARI E IBRIDAZIONE Al fine di minimizzare la repulsione fra le nuvole elettroniche, in alcuni casi le molecole assumono particolari geometrie ottimali; ciò è possibile grazie alla formazione di orbitali ibridi che hanno una opportuna direzione nello spazio. In alcuni casi l'ibridazione consente anche di formare un numero di legami maggiore (vedi il caso del carbonio). C [He]2s22p2 in molti composti il carbonio forma 4 legami equivalenti C [He]2s12p3 attenzione: i 4 legami devono essere equivalenti promozione di un elettrone da un orbitale s a un orbitale p

34 Gli orbitali che si combinano abbiano una energia confrontabile.
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Gli orbitali ibridi si ottengono per combinazione lineare degli orbitali atomici non ibridati. Perché ciò sia possibile, è necessario che: Gli orbitali che si combinano abbiano una energia confrontabile. Gli orbitali ibridi sono in numero uguale agli orbitali di partenza.

35 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Ibridazione sp Un orbitale s si combina con un orbitale p; si ottengono due orbitali ibridi di tipo sp (che non hanno né la forma né l’energia degli orbitali di partenza! Sono orbitali diversi, con la loro specificità).

36 Esempio di una molecola con ibridazione sp C2H2
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Esempio di una molecola con ibridazione sp C2H2 I due atomi si carbonio formano un legame sigma per sovrapposizione dei due orbitali ibridi sp; i due orbitali p non ibridati del carbonio formano due legami . Quindi fra i due atomi di carbonio c’è un triplo legame.

37 Esempio di una molecola con ibridazione sp2 BH3
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Un orbitale s si combina con due orbitali p; si ottengono tre orbitali ibridi di tipo sp2. Ibridazione sp2 Esempio di una molecola con ibridazione sp2 BH3

38 Esempio di una molecola con ibridazione sp2 C2H4
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Esempio di una molecola con ibridazione sp2 C2H4 I due atomi si carbonio formano un legame sigma per sovrapposizione dei due orbitali ibridi sp2; l’orbitale p non ibridato del carbonio forma un legame . Quindi fra i due atomi di carbonio c’è un doppio legame.

39 uno dei vertici è occupato da un doppietto di elettroni dell’azoto
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Ibridazione sp3 Un orbitale s si combina con tre orbitali p; si ottengono tre orbitali ibridi di tipo sp3. I quattro orbitali risultanti sono diretti verso i vertici di un tetraedro. CH4 NH3 uno dei vertici è occupato da un doppietto di elettroni dell’azoto H2O due dei vertici sono occupati da un doppietto di elettroni dell’ossigeno NB: con l’ibridazione si ottengono le stesse geometrie molecolari del metodo VSEPR

40 Gli orbitali molecolari 2.
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Gli orbitali molecolari 2. Un metodo alternativo al metodo del legame di valenza (VB) è la cosiddetta teoria degli orbitali molecolari (Metodo LCAO, linear combination of atomic orbitals) in cui gli orbitali molecolari si ottengono per combinazione lineare (somma pesata) degli orbitali atomici di partenza (NB: nel caso VB non si parla di combinazione lineare, ma di sovrapposizione). Secondo questo metodo, combinando linearmente gli orbitali atomici ottengo quelli molecolari in numero uguale a quelli di partenza. Caso dell’atomo di idrogeno: Combinando i due orbitali 1s (uno per atomo) ottengo un orbitale sigma a più bassa energia (orbitale di legame perchè stabilizza la molecola) e uno a più alta energia (detto di antilegame perché destabilizza la molecola)

41 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Formazione di orbitali sigma (leganti e antileganti) a partire da orbitali di tipo s

42 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Formazione di orbitali sigma (leganti e antileganti) a partire da orbitali di tipo p

43 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Formazione di orbitali pi greco (leganti e antileganti) a partire da orbitali di tipo p

44 Schema per le molecole omonucleari leggere (fino a N2)
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Aufbau per le molecole Si procede in maniera analoga a quanto visto per gli orbitali atomici con i seguenti schemi di orbitali a energia crescente Schema per le molecole omonucleari leggere (fino a N2) NB la molecola di boro ha due elettroni spaiati

45 Schema per le molecole omonucleari più pesanti di N2
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Aufbau per le molecole Schema per le molecole omonucleari più pesanti di N2 NB la molecola di ossigeno ha due elettroni spaiati

46 Schema per le molecole biatomiche eteronucleari
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Aufbau per le molecole Schema per le molecole biatomiche eteronucleari

47 Nel metodo LCAO si definisce ORDINE DI LEGAME il rapporto
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Nel metodo LCAO si definisce ORDINE DI LEGAME il rapporto Le molecole con ordine di legame zero non sono stabili e non esistono (per esempio, si può verificare la non esistenza delle molecole biatomiche di gas nobili); le molecole con ordine di legame 1, hanno un singolo legame (per es. Cl2); le molecole con ordine di legame 2, hanno un doppio legame (per es. la molecola O2); le molecole con ordine di legame 3, hanno un triplo legame (per es. la molecola N2). Il metodo LCAO può essere applicato anche al caso di molecole molto più complesse.

48 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE SOLIDI COVALENTI In alcuni composti, il legame covalente, anziché caratterizzare una singola molecola vista come entità microscopica a se stante, può caratterizzare un intero reticolo cristallino. In questo caso si parla di SOLIDI COVALENTI. L’esempio più classico è il diamante Il diamante è costituito da carbonio puro; ogni atomo di carbonio è legato ad altri 4 atomi di carbonio tramite legami covalenti equivalenti. La struttura si ripete per tutto il corpo del solido. È proprio la forza di tali legami tutti equivalenti lungo tutte le direzioni a conferire le particolari proprietà di durezza al diamante. Inoltre il diamante è un ottimo isolante perché tutti gli elettroni sono impegnati in legami covalenti fortemente direzionali e quindi non sono liberi di muoversi (il trasporto di corrente è associato a cariche in movimento)

49 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE In realtà il carbonio elementare è presente in natura in diverse forme allotropiche, di cui quella più stabile è la grafite. Nella grafite gli atomi di carbonio sono ibridizzati sp2 e quindi si legano con legami sigma ad altri tre atomi di carbonio formando così degli esagoni perfettamente regolari uniti dai lati. L’elettrone dell’orbitale 2p non ibridato viene condivisi in un orbitale di tipo pi greco formato per sovrapposizione con gli altri orbitali 2p. Gli esagoni formano un esteso piano molecolare che è legato ad altri analoghi piani molecolari tramite interazioni deboli di tipo van der Waals (vedi poi). La differenza di struttura spiega la grande differenza nelle proprietà di grafite e diamante: il diamante è la sostanza più dura conosciuta, la grafite si sfalda facilemente lungo i piani ed è usata come lubrificante. Inoltre la grafite manifesta una certa conducibilità elettrica grazie agli elettroni condivisi delocalizzati sull’orbitale pi greco.

50 NANOTUBI: struttura tipo grafite ma con geometria cilindrica
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Gli altri allotropi del carbonio sono: FULLERENE: gli atomi di carbonio si legano formando esagoni e pentagoni e assumendo una forma che ha la stessa geometria del pallone da calcio NANOTUBI: struttura tipo grafite ma con geometria cilindrica

51 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE SOLIDI COVALENTI Ci sono anche solidi covalenti in cui sono presenti atomi diversi come è il caso della silice SiO2 (che nella forma cristallina prende il nome di quarzo) o del nitruro di boro (BN) NB: come nel diamante si ripete una unità tetraedrica SiO2 in rosso: ossigeno, in grigio : silicio BN in nero: boro, in bianco: azoto

52 Modello del mare (o gas) di elettroni
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Legame metallico Circa i ¾ degli elementi della tavola periodica sono metalli. I metalli danno luogo a un tipo di legame peculiare che è all’origine delle loro particolari proprietà (conducibilità termica, conducibilità elettrica, duttilità, malleabilità). Abbiamo già visto che i metalli sono caratterizzati da una certa tendenza a perdere i loro elettroni esterni (danno facilmente legame ionico in presenza di un nonmetallo). Nel reticolo dei metalli le posizione fisse reticolari sono occupate dagli ioni positivi mentre gli elettroni messi in compartecipazione per la formazione del legame non occupano posizioni fisse nello spazio, ma sono liberi di muoversi Modello del mare (o gas) di elettroni

53 Il modello delle bande: le proprietà dei metalli
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE elettrone + Gli elettroni sono in moto caotico, essendo carichi negativamente tengono unito il cristallo formato dagli ioni positivi (attenzione, si parla di ioni perché ciascun atomo perde solo gli elettroni esterni – è sbagliato dire che sono i nuclei ad occupare le posizioni reticolari perché questo implicherebbe la cessione di tutti gli elettroni, anche quelli dei livelli interni, ma così non è). Il modello delle bande: le proprietà dei metalli si possono anche spiegare con la teoria degli orbitali molecolari – in questo caso si combinano gli orbitali di un gran numero di atomi, tanto da generare “bande” piuttosto che singoli orbitali molecolari. Gli elettroni dei metalli sono quindi condivisi per tutto il cristallo.

54 - + + in assenza di campo elettrico, il moto degli elettroni è caotico
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE + in assenza di campo elettrico, il moto degli elettroni è caotico se applico una differenza di potenziale, siamo cioè in presenza di campo elettrico, il moto degli elettroni è unidirezionale (causa del fenomeno della conducibilità elettrica) + + - + + + +

55 Proprietà meccaniche dei reticoli metallici:
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE + Proprietà meccaniche dei reticoli metallici: Se applico una forza, tipo uno sforzo di taglio, il reticolo si deforma senza rompersi. Questo perché gli elettroni sono molto veloci e si riadattano rapidamente alla mutazione del reticolo di ioni + + + + +

56 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE NB la situazione in un solido ionico (composti ionici) è completamente diversa. Abbiamo già visto come in un solido ionico le posizione reticolari siano occupate alternativamente da ioni positivi e ioni negativi, i modo che ogni ione sia circondato solo da ioni di carica opposta. Uno sforzo di taglio in questo caso ha l’effetto di far slittare un piano rispetto all’altro. Ma in questo caso l’alterazione è profonda perché ora cariche dello stesso segno si trovano contigue e generano una repulsione (anziché attrazione) elettrostatica: IL SOLIDO SI SFALDA + - + - + - + + - - + + - + - + - + - - + - + - + + - - + - + - + - + + -

57 Gli stati di aggregazione della materia
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Gli stati di aggregazione della materia Il legame chimico rende conto della esistenza delle molecole. Le molecole rappresentano delle entità ben definite con delle proprietà ben caratterizzate. Es. Una molecola di acqua è sempre costituita da un atomo di ossigeno legato a due atomi di H, indipendentemente dall’ambiente circostante in cui si trova. Tuttavia l’acqua è presente in natura come vapore (fase gassosa), liquido (fase liquida) e ghiaccio (fase solida). Da che cosa sono determinati gli stati di aggregazione della materia? Stato gassoso Stato liquido Stato solido

58 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Solidi ionici: (cloruro di sodio, bromuro d’argento) ioni positivi e negativi sono tenuti assieme dalla attrazione elettrostatica. Solidi covalenti: (diamante, carburo di silicio SiC, nitruro di boro BN) atomi sono tenuti insieme da legami covalenti con formazione di estesi reticoli. Solidi metallici: (ferro, rame, argento) ioni positivi sono circondati e tenuti assieme dagli elettroni condivisi (delocalizzati su tutto il cristallo). in questi casi la formazione stessa dei legami implica l’esistenza di un aggregato molto complesso  sostanza rigida e il ghiaccio??

59 LA STRUTTURA DELLA MATERIA
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE LA STRUTTURA DELLA MATERIA La struttura dell’atomo: il nucleo La struttura dell’atomo: gli elettroni - Il legame chimico - Le forze di interazione intermolecolari

60 Le forze di interazione intermolecolari
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Le forze di interazione intermolecolari - le forze di interazione intermolecolari sono forze attrattive che le molecole esercitano fra di loro - si tratta di nuovo di forme di interazione elettrostatica, ma le energie coinvolte sono molto più modeste delle energie coinvolte nella formazione del legame chimico da qualche decimo di kJ/mol a qualche decina di kJ/mol  forze di questo tipo rendono conto della esistenza come solidi del ghiaccio, degli zuccheri, etc. e rendono anche conto della esistenza di molti composti sottoforma di liquidi (acqua, olio, alcol etilico, etc.). forze dipolo-dipolo forze di dispersione interazioni dipolari 2) legame a idrogeno

61 HCl Interazioni dipolari - +
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Interazioni dipolari Forze dipolo-dipolo: si manifestano fra molecole caratterizzate da un momento di dipolo – le molecole orientano le proprie estremità con addensamento di carica positiva verso le estremità di altre molecole con addensamento di carica negativa - + HCl

62 triclorometano (o cloroformio) CHCl3
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE triclorometano (o cloroformio) CHCl3 se considero una miscela contenente una molecola polare come l’acqua e una non polare (come Br2) il dipolo dell’acqua può indurre temporaneamente un dipolo nella molecola apolare (dipolo indotto) sempre a causa delle forze elettrostatiche NB alcune molecole si lasciano indurre un momento di dipolo molto facilmente (più è grande l’atomo coinvolto più è facile)

63 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Forze di dispersione: si manifestano fra molecole apolari – poiché la distribuzione degli elettroni non è uniforme intono ai nuclei, si possono determinare delle asimmetrie nella distribuzione delle cariche, si forma cioè un dipolo istantaneo; la presenza di un dipolo istantaneo induce una asimmetria di carica nelle molecole vicinali; a questo punto si stabilisce una attrazione elettrostatica - + formazione di un dipolo istantaneo - + interazione dipolo istantaneo – dipolo indotto condizione iniziale, no dipolo

64 Br2 S8 I2 il bromo elementare è un liquido
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Br2 il bromo elementare è un liquido S8 lo zolfo elementare è un solido I2 lo iodio elementare è un solido

65 Legame a idrogeno Caso dell’acqua
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Legame a idrogeno Si tratta anche in questo caso di una interazione debole di tipo elettrostatico che si verifica fra un atomo di idrogeno legato covalentemente a un atomo fortemente elettronegativo (e generalmente piccolo, come N, O, F) e un altro atomo dello stesso tipo di una molecola vicina Caso dell’acqua O H O H O H O H H H H H

66 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE La presenza del legame a idrogeno conferisce una particolare proprietà all’acqua: il ghiaccio ha un peso specifico inferiore all’acqua liquida. Questo perché l’impaccamento ordinato del solido genera una “struttura aperta”, molto meno regolare nel caso del liquido

67 Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE ci sono anche altri composti caratterizzati dal legame a idrogeno come l’acido fluoridrico o l’acido acetico

68 solidi ionici solidi covalenti solidi metallici solidi molecolari
Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE solidi ionici cloruro di sodio NaCl Fluoruro di litio LiF Solfuro di zinco ZnS solidi covalenti diamante (C) carburo di silicio (SiC) silice (SiO2) solidi metallici ferro (Fe) rame (Cu) argento (Ag) oro (Au) solidi molecolari ghiaccio (H2O) zucchero iodio posizioni del reticolo occupate da ioni alternati di carica opposta atomi (identici come nel diamante o diversi come nella silice) ioni positivi molecole tipo di legame legame ionico legame covalente legame metallico (elettroni molto delocalizzati) forze di interazione intemolecolari proprietà meccaniche ed elettriche duri ma fragili isolanti allo stato solido, conduttori una volta fusi molto duri isolanti duttili e malleabili buoni conduttori teneri e fragili