4. Il legame chimico, Sbobinature di Chimica

Scarica 4. Il legame chimico e più Sbobinature in PDF di Chimica solo su Docsity! 4.Legame chimico La materia è costituita da atomi che si combinano tra loro dando origine ai composti. Ciò che tiene legati gli atomi fra loro sono interazioni forti generalmente di natura elettrostatica dette “legami chimici”. La formazione di legami fra atomi avviene solo se il composto che si forma è più stabile degli atomi isolati che lo costituiscono. Ciò significa che, prendendo in considerazione due atomi, A e B, l’energia complessiva dei due atomi legati assieme in AB dev’essere minore di quando sono separati a distanza infinita. Se non vi è questo “guadagno di energia” allora il legame non può formarsi. Gli atomi contribuiscono a tale stabilità mediante una ridistribuzione degli elettroni: cedendo, acquistando o mettendo in comune elettroni. I legami coinvolgono esclusivamente gli elettroni di valenza (gli elettroni in eccesso rispetto alla configurazione del gas nobile che precede l’atomo). Riarrangiamento degli elettroni di valenza - Energia o potenziale di ionizzazione (facilità nel cedere elettroni): minima energia da somministrare ad un atomo in fase gassosa per strappargli un elettrone trasformandolo in un catione X (g )=X+¿ ( g )+e −¿ ( g) ¿ ¿ L’energia deve sempre essere assorbita per provocare la ionizzazione. Quanto più alta è l’energia di ionizzazione (sempre quantità positiva), tanto più sarà difficile strappare l’elettrone all’atomo. - Affinità elettronica (facilità nell’acquistare elettroni): è l’energia coinvolta nel processo di formazione di un anione A (g )+e−¿=A −¿( g)¿ ¿ Elementi che hanno un’alta affinità elettronica presentano elevata tendenza a trasformarsi in anioni. - La capacità di un atomo di cedere, acquistare o compartecipare elettroni impegnati nel legame è misurata dall’elettronegatività (χ). In particolare: Fra gli elementi con elettronegatività uguale o simile avremo legami covalenti, in cui gli elettroni di valenza di ciascun elemento sono condivisi fra i due atomi Fra gli elementi con elettronegatività molto diversa (bassa energia di ionizzazione e alta affinità elettronica) avremo legami ionici, in cui gli elettroni si trasferiscono su uno dei due atomi determinando la formazione di ioni attraverso legami di natura elettrostatica Fra gli elementi scarsamente elettronegativi (bassa energia di ionizzazione) avremo legami metallici, in cui gli elettroni di valenza si trovano condivisi n una nube intorno a tutti i nuclei degli atomi I legami intermolecolari si instaurano tra molecole distinte (legami a idrogeno, forze di Van der Waals, …) Legame ionico Il legame ionico è probabilmente il legame più semplice. Esso è sempre presente nei composti formati dall’unione di un elemento metallico e di uno non metallico. Gli atomi di un elemento metallico cedono facilmente i loro elettroni di valenza ad atomi non metallici. A seguito di questo processo, tutti gli atomi coinvolti assumono la configurazione elettronica stabile dei gas nobili e acquisiscono una carica: divengono ioni. Il legame ionico instaura, quindi, fra elementi con alta affinità elettronica ed elementi con basso potenziale di ionizzazione e quindi fra elementi con elevata differenza di elettronegatività (Δχ). Esso rappresenta il processo di cessione/acquisto di elettroni con conseguente formazione di cationi e anioni. Il legame ionico è un’interazione elettrostatica di tipo Coulombiano che si instaura fra cationi e anioni Ec=kc q +¿ q−¿ r ¿ ¿ I composti ionici si dicono “sali”. Il legame ionico è il legame maggiormente presente nei materiali ceramici. Tipicamente, i composti ionici sono solidi e possono essere cristallini o, in casi particolari, amorfi. Si formano solidi in cui gli ioni sono impacchettati in una struttura tridimensionale in cui ogni catione è circondato da un determinato numero di anioni e viceversa. Il numero di ioni di carica opposta che circondano uno ione viene detto “numero di coordinazione” e vale 3,4,6 o 8 a seconda delle dimensioni degli ioni. Legame covalente Nel legame covalente la configurazione elettronica stabile viene raggiunta in seguito alla condivisione di una o più coppie di elettroni tra due atomi adiacenti cosicché gli elettroni appartengono in contemporanea a entrambi gli atomi che li condividono. Il numero massimo di legami covalenti per ciascun atomo dipende dal numero dei suoi elettroni di valenza Se fra due atomi vi è: - Una sola coppia di elettroni condivisi, si parla di legame semplice - Due coppie di elettroni condivise, si parla di legame doppio - Tre coppie di elettroni condivise, si parla di legame triplo Il legame doppio e quello triplo sono detti “legami multipli”. L’ordine di legame rappresenta il numero di legami che congiungono gli atomi di una certa coppia; ad esempio, due atomi legati da un legame semplice sono In generale, il legame σ presenta una simmetria cilindrica, ovvero la rotazione intorno all’asse internucleare degli atomi non altera il legame. Quando la sovrapposizione degli orbitali (sempre aventi lo stesso segno) avviene fuori dall’asse internucleare, si tratta di un legame π. In questo caso, la sovrapposizione avviene sopra o sotto la regione internucleare, e di conseguenza, i due nuclei sono meno schermati che nel legame σ e la sovrapposizione è meno ampia. Infatti, il legame π è più debole del legame σ e gli elettroni sono più reattivi. Sebbene nel legame π ci siano due regioni di sovrapposizione, nel legame è coinvolta una sola coppia di elettroni. Ibridazione L’ibridazione è un fenomeno di rimescolamento (combinazione lineare) delle funzioni d’onda orbitaliche di n orbitali atomici per dare n nuovi orbitali atomici equivalenti, detti “orbitali ibridi”. Quindi, le funzioni d’onda di due orbitali (ψ s ,ψ p ) vengono mescolate attraverso la loro somma per il coefficiente di normalizzazione che riporta la densità elettronica totale a 1: ψ= 1 √2 (ψ s+ψ p) e ψ= 1 √2 (ψ s−ψ p) Gli orbitali atomici che si combinano devono avere energie confrontabili Il numero di orbitali ibridi che si ottengono è pari al numero di orbitali atomici da cui sono stati originati Il tipo di orbitali che si ottiene varia a seconda della combinazione di orbitali di partenza Ad esempio, la combinazione di un orbitale s con 3 orbitali p permette di ottenere 4 orbitali ibridi sp3. La combinazione di un orbitale s con 2 orbitali di tipo p permette di ottenere 3 orbitali ibridi sp2 aventi una forma bilobata e disposti secondo i vertici di un triangolo equilatero al cui centro (perpendicolarmente al piano individuato dallo stesso) è posto il terzo orbitale p non ibridato. Questo fenomeno permette di descrivere la formazione di un legame doppio. Ad esempio, consideriamo la molecola di etene C2H4 (l’alchene più semplice) in cui i due atomi di carbonio sono legati attraverso un legame doppio che può essere descritto andando a considerare l’ibridazione di ciascuno degli atomi. Ciascun atomo di carbonio presenta un’ibridazione sp2, cioè presenta un set di 3 orbitali ibridi di tipo sp2che sono disposti a 120° l’uno rispetto all’altro e un terzo orbitale p non ibridato perpendicolare al piano. Quando i due atomi di carbonio si avvicinano, un legame si forma per sovrapposizione di un orbitale ibrido con uno equivalente (la regione di sovrapposizione è lungo l’asse internucleare per cui formerà un legame σ). I due orbitali p non ibridati avvicinandosi (il lato di uno si sovrappone al lato dell’altro) generano invece un secondo legame di tipo π. La combinazione di un orbitale s con un orbitale p permette di ottenere 2 orbitali ibridi sp di forma bilobata e disposti a 180° l’uno rispetto all’altro e in cui gli orbitali p non ibridati si dispongono perpendicolarmente fra di loro e ai due orbitali ibridi. Questo tipo di ibridazione permette di descrivere la formazione di legami multipli, come per la molecola di anidride carbonica CO2. In essa, un atomo di carbonio ibridato sp crea un legame σ con l’atomo di ossigeno ibridato sp2 e, al contempo, un legame π utilizzando l’orbitale non ibridato p. Tuto ciò è poi ripetuto per l’alto atomo di ossigeno. Legame metallico Il legame metallico si genera tra i metalli e nelle loro leghe. È necessario ricordare che i metalli possiedono uno, due o, al massimo tre, elettroni di valenza, i quali non sono legati ad un particolare atomo della struttura solida, bensì sono in grado di spostarsi all’interno, o attraverso, l’intera struttura metallica. Un metallo è infatti costituito da un aggregato di ioni positivi in precise posizioni di una struttura ordinata, in cui gli elettroni di valenza hanno una grande mobilità. Si può pensare agli elettroni di valenza come ad un “mare di elettroni” o ad una “nuvola elettronica” appartenente al metallo. Le rimanenti parti degli atomi, ovvero gli elettroni non di valenza e il nucleo atomico, formano quello che viene chiamato “cuore dello ione”, che possiede una carica netta positiva della stessa entità della carica elettrica totale fornita dagli elettroni di valenza di ciascun atomo. Forze di attrazione intermolecolare Le forze di attrazione sono presenti anche tra molecole, o specie, differenti e possono essere suddivise in due principali categorie: Interazione ione-dipolo Interazioni dipolo-dipolo, a loro volta suddivise in Forze di van der Walls: