Scarica Teoria del Legame di Valenza in Chimica: Orbitali, Polarità, Reazioni Chimiche e più Appunti in PDF di Chimica solo su Docsity!
CHIMICA
LA TEORIA DEL LEGAME DI VALENZA (p.179) La tendenza di un atomo a legarsi non è data dal completamento dell’ottetto ma dal completamento degli orbitali semi-pieni , la tendenza degli atomi alla stabilità è la voglia di riempire gli orbitali e completare la coppia di elettroni in ogni orbitale. Quindi, il legame covalente si forma quando gli orbitali semipieni di due atomi danno origine a un nuovo orbitale che permette a entrambi gli elettroni di appartenere a ciascun atomo, chiamato orbitale molecolare. In sostanza, l’orbitale molecolare è quello che mette in comune due elettroni appartenenti ad atomi diversi. Quando l’orbitale si sviluppa per sovrapposizione frontale lungo la linea che congiunge i due nuclei, è chiamato orbitale sigma. Nei legami multipli, oltre al legame sigma, interviene anche la fusione laterale creando così un orbitale pi greco (creato per sovrapposizione laterale). I legami pi greco sono più deboli di quelli sigma. LA FORMA DELLE MOLECOLE (p.187) La struttura elettronica esterna di un atomo influenza la forma delle molecole che quell’atomo può formare. A seconda della natura dei legami la molecola ha una certa forma e comportamento, es: se ho un legame polare, non per forza la molecola è polare (con una carica + e una - ), i legami presi singolarmente sono polari ma la molecola non lo è. Esistono anche molecole polarizzate, come l’acqua. I 2 elettroni non condivisi spingono giù gli atomi H dalla posizione H - O - H (180*) , così le due estremità ora
sono O e H, H è positivo, O è negativo, quindi ho una molecola polarizzata. ( O è negativo perchè ha maggiore elettronegatività) La polarità o non polarità determina la possibilità di instaurare tra le molecole determinati tipi di legami che influenzano le proprietà di quella sostanza. Le forze intermolecolari: Forze dipolo-dipolo : I legami elettrostatici tra dipoli permanenti sono chiamati forze dipolo-dipolo. ( Forze di Van der Waals ) A causa del moto caotico degli elettroni, la carica elettrica della molecola può risultare sbilanciata per brevi istanti. Così, si crea il dipolo temporaneo : può avvenire tra 2 molecole apolari; se una molecola acquista temporaneamente una carica, l’altra molecola polare acquista a sua volta una carica temporanea per attrarre l’altra molecola. Le forze di London sono dovute all’attrazione tra dipoli temporanei di molecole vicine. Dipolo indotto : se ho una molecola polare e una molecola dipolare, la molecola polare distribuisce momentaneamente le cariche per attrarre la molecola polare. L’ENERGIA E LA VELOCITA’ DI REAZIONE (cap. 15) Sistemi chimici:
- I sistemi aperti scambiano sia materia sia energia con l’ambiente 2. I sistemi chiusi scambiano con l’ambiente soltanto energia
- I sistemi isolati non scambiano né energia né materia con l’ambiente Reazioni esotermiche e reazioni endotermiche: Le reazioni che avvengono con una produzione di calore, cioè trasferiscono energia dal sistema all’ambiente, si chiamano reazioni esotermiche. (I reagenti hanno maggiore energia dei prodotti: i reagenti liberano energia durante la reazione e quindi ne resta meno per i prodotti, così i prodotti sono più stabili) Le reazioni che avvengono assorbendo calore dall’ambiente sono chiamate reazioni endotermiche. (I prodotti hanno più energia rispetto ai reagenti) Tendenza alla formazione di legami forti: La combinazione di 2 tendenza fa raggiungere la stabilità:
- minor grado possibile di energia scambiata con l’ambiente (entalpia)
- tendenza a un maggior disordine (entropia) A seconda di quale aspetto prevalga, avrò reazioni spontanee o non spontanee. Se prevalgono entrambe avrò una reazione spontanea, se non prevalgono entrambe, avrò una reazione non spontanea. Le reazioni hanno tendenza al disordine (entropia) perchè serve impegno per l’ordine (richiede energia). Se non somministro energia, il sistema arriverà al disordine (è stabile perchè povero di energia), un sistema ordinato non tende a stare così (non è stabile perchè ricco di energia). Velocità di reazione:
Un sistema è in equilibrio dinamico quando le velocità delle trasformazioni opposte sono uguali. (Situazione nella quale la velocità con cui avviene un processo è eguagliata dalla velocità del processo inverso) L’equilibrio dinamico può instaurarsi anche in una trasformazione chimica. Esistono 2 tipi di reazioni: Reazione completa o irreversibile : i reagenti si trasformano tutti in prodotti Reazione incompleta e reversibile : la reazione comincia, alcuni reagenti diventano prodotti ma questi ultimi reagiscono insieme e tornano alla forma di reagenti -> oltre alla reazione diretta c’è anche quella inversa. La velocità dei reagenti diminuisce man mano, quella dei prodotti aumenta man mano -> a un certo punto smettono di variare e arrivano al punto di equilibrio (i reagenti rallentano ma non si fermano perchè l’inversa continua a produrli, i prodotti continuano ad accelerare ma pian piano diminuiscono perchè diventano reagenti). Ci sarà un momento in cui la V dei reagenti e quella dei prodotti saranno uguali, sembra che il sistema si fermi ma in realtà vanno alla stessa velocità: EQUILIBRIO CHIMICO DINAMICO. All’equilibrio chimico le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti non variano nel tempo e la velocità di reazione diretta è uguale a quella inversa. La costante di equilibrio: All’equilibrio esiste un rapporto costante tra le concentrazioni dei prodotti e quelle dei reagenti. Inserendo nella formula i dati, otterremo un valore costante a cui viene dato il nome di costante di equilibrio K eq.
- Le parentesi quadre esprimono la concentrazioni in mol/l.
- Le concentrazioni dei prodotti si pongono al numeratore e quelle dei reagenti al denominatore.
- Le concentrazioni vanno moltiplicate fra loro ed elevate a potenza con i rispettivi coefficienti stechiometrici. Ogni reazione ha la sua costante di equilibrio. Se la K è alta (>1), il numeratore è maggiore del denominatore -> la reazione diretta prevale e quindi la reazione è spostata verso destra (ho più prodotti) Se la K è bassa (<1), il numeratore è minore del denominatore -> la reazione inversa prevale e quindi la reazione è spostata verso sinistra (ho più reagenti) Il principio di Le Châtelier:
Un sistema all’equilibrio, se perturbato da un’azione esterna, reagisce in modo da ridurne o annullarne l’effetto, ristabilendo l’equilibrio. Le variazioni di pressione e volume possono influenzare le reazioni i cui componenti sono in fase gassosa: diminuendo il volume, favorisco la reazione che produce meno particelle. Così, se aumenta il volume, l’equilibrio si sposta verso la direzione che porta ad aumentare il numero di particelle. Se diminuisco il volume, l’eq. si sposta verso la direzione che diminuisce il numero di particelle. Cambiando la temperatura , il principio di Le Châtelier viene comunque applicato, ma la costante cambia. Se aumento la temperatura, favorisco la reazione endotermica. Se diminuisco la temperatura, favorisco la reazione esotermica. In questo modo, però, favorisco solo uno dei due tra prodotti e reagenti, così solo uno dei due aumenta e la K cambia (a causa delle modificazioni delle concentrazioni). Il sistema reagirà all’aumento/riduzione della temperatura producendo maggiore o minore energia. Il catalizzatore non ha alcuna influenza sulla posizione dell’equilibrio perchè agisce su entrambe allo stesso modo. GLI ACIDI E LE BASI (cap. 17) La teoria di Arrhenius: Nel 1887 dettò la prima definizione di acido e di base: Gli acidi sono sostanze che in acqua liberano ioni H+; le basi sono sostanze che in acqua liberano ioni OH-. La teoria di Brönsted e Lowry: Loro cercano di svincolare la definizione di Arrhenius dall’acqua, così dicono: Qualsiasi molecola o ione che può donare un protone è detto acido , qualsiasi molecola o ione che può accettare un protone è detto base. Un acido agisce da donatore solo in presenza di una sostanza che accetti il protone, cioè di una base; d’altro canto, una base accetta un protone solo se c’è una sostanza che glielo cede. (sistema acido-base) ACIDO -> Dona H+ BASE -> Acquista H+ Quando l’acido perde il protone, diventa automaticamente una base ( base coniugata ) perchè tende ad acquisire un protone; quando la base acquista un protone, tende a perderlo e diventa acido ( acido coniugato ). Un acido che ha una forte tendenza a cedere protoni è un acido forte (di conseguenza la sua base coniugata è debole ). Accade la stessa cosa con le basi: se una base ha una forte tendenza ad acquisire protoni è una base forte (e quindi un acido debole ).
Quindi, non è più un rapporto ma un prodotto. W sta per water o wasser. Una soluzione in cui [P] H+] = [P] OH-] si dice neutra. Una soluzione in cui [P] H+] > [P] OH-] si dice acida. (Ioni H+ più numerosi di OH-) Una soluzione in cui [P] H+] < [P] OH-] si dice basica. (Ioni OH- più numerosi di H+) Il Ph e la forza degli acidi e delle basi: Il P] H è il logaritmo decimale negativo della concentrazione degli ioni H+. Se ho l’esponente negativo (10 alla -7), il logaritmo diventa 7. P] h = 7 (sostanza neutra) P] h < 7 (sostanza acida) P] h > 7 (sostanza basica) Se ho la K molto alta (i prodotti sono maggiori, c’è maggiore sostanza dissociata) -> l’acido è forte -> acidi forti: sostanze che in acqua si dissociano completamente. Gli acidi e le basi forti hanno una forte tendenza a dissociarsi. Gli acidi e le basi deboli hanno poca tendenza a dissociarsi. I COMPOSTI ORGANICI (libro nuovo) La chimica organica è la branca della chimica che studia tutti i composti del carbonio, indipendentemente dalla loro origine. L’ atomo di carbonio è il costituente fondamentale dei composti organici, è un metallo e ha numero atomico 6: Ogni atomo di carbonio ha 4 elettroni di valenza, ma soltanto 2 sono elettroni spaiati e per questo motivo dovrebbe formare soltanto 2 legami covalenti. Nella realtà, però, tende a formare 4 legami, altrimenti non si giustificherebbe la forma a tetraedro.
P] er fare ciò, un elettrone del 1S2 va nella P] , facendo così ho 4 elettroni spaiati: Si creano così gli orbitali ibridi. Gli orbitali ibridi sono orbitali atomici di tipo misto che derivano dall’incrocio, o ibridazione, di orbitali atomici puri, cioè orbitali s, p, d, f , caratteristici di un certo atomo. P] er esempio, mescolando un orbitale di tipo s e uno di tipo p , si ricavano due orbitali ibridi, che vengono contrassegnati dalla sigla sp. Invece, da un orbitale di tipo s e da due di tipo p , si ottengono 3 nuovi orbitali, chiamati ibridi sp2. Ad ogni orbitale ibrido corrisponde una ben particolare superficie limite: sp -> 2 orbitali ibridi -> forma lineare -> 180* sp2 -> 3 orbitali ibridi -> forma triangolare piana -> 120* sp3 -> 4 orbitali ibridi -> forma tetraedrica -> 109,5*
Gli anelli dei cicloalcani vengono rappresentati con un poligono che ha tanti vertici quanti sono gli atomi di carbonio presenti. Fra i cicloalcani, il più importante è il cicloesano: ha ha una struttura particolarmente stabili. La molecola del cicloesano può assumere diverse conformazioni, che si trasformano l'una nell'altra per semplice rotazione attorno ai legami carbonio-carbonio. Le due principali conformazioni sono dette a sedia e a barca. Come si rappresentano le formule di struttura: Gli alcani contengono solo legami semplici, perciò ogni atomo di carbonio deve essere legato da altri 4 atomi per mezzo di legami C-C o C-H. L’idrogeno deve essere legato ad un unico atomo di carbonio mediante un legame C-H. L’unica struttura del propano è: Nel caso del butano, sono presenti 2 formule di struttura:
Questi composti hanno proprietà fisiche diverse: pur possedendo la stessa formula molecolare, sono sostanze diverse. L’isomeria: Tanto è maggiore il numero di atomi di carbonio di un composto, tanto maggiore diventa numero dei possibili isomeri. Il fenomeno per cui due o più composti che hanno la stessa formula molecolare presentano diversa struttura si chiama i someria strutturale e i composti sono detti isomeri di struttura. Gli isomeri di struttura sono composti che hanno la stessa formula molecolare ma diversa formula di struttura. L’isomeria strutturale può presentarsi in diversi modi: isomeri di catena , di posizione e di gruppo funzionale. Gli isomeri che possiedono una diversa orientazione nello spazio hanno il nome di stereoisomeri e si distinguono in isomeri geometrici e in isomeri ottici. L’isomeria ottica: Se due molecole sono l’una l'immagine speculare dell'altra e non sono sovrapponibili, costituiscono una coppia di isomeri ottici o enantiomeri. Una molecola che non è identica alla sua immagine speculare e detta chirale. In generale, se i quattro gruppi atomici legati a un atomo di carbonio tetraedrico sono tutti diversi fra loro, l’atomo di carbonio è un centro chirale e la molecola che lo contiene può esistere in due diverse forme enantiomeriche. Gli enantiomeri hanno identiche proprietà fisiche e chimiche, ma reagiscono in modo diverso con altre molecole chirali e sono eticamente attivi. Quando la luce polarizzata passa attraverso una soluzione che contiene molecole otticamente attive, il piano di polarizzazione ruota di un certo angolo. Le soluzioni di due enantiomeri, alla stessa concentrazione, provocano rotazioni uguali, ma opposte. La nomenclatura dei composti organici:
La formula degli acheni è: CnH2n
La formula degli alchini è: CnH2n-
Alcheni: etene, propene, 1-butene, 2-butene… Alchini: etino, propino, 1-butino, 2-butino… La nomenclatura degli acheni e degli alchini:
- Si individua la più lunga catena di atomi di carbonio che comprende entrambi gli atomi del doppio del triplo legame.
- Si scrive il nome della catena principale come si trattasse di un alcano, sostituendo però il suffisso -ano con -ene o con -ino.
- Si numera la catena di atomi di carbonio principale a partire dall'estremità più vicina al doppio o al triplo legame, si sceglie l'atomo di carbonio con il numero più piccolo, che va riportato davanti al nome dell’idrocarburo.
- Se sono presenti delle ramificazioni, si assegna il nome a ciascun sostituente e si indica con un numero la posizione che esso occupa sulla catena principale. L’isomeria geometria degli acheni: Le molecole differiscono per il modo in cui sostituenti sono disposti rispetto al doppio legame e costituiscono una coppia di isomeri geometrici. L’isomero con i sostituenti dalla stessa parte rispetto al doppio legame è detto cis( -2-butene), l’altro è il trans( -2-butene). L’etene e il propene non hanno isomeri cis-trans. Questa isomeria si verifica solo quando ciascuno dei due atomi di carbonio del doppio legame è legato a due atomi diversi. Il benzene: Il benzene fa parte della famiglia dei composti aromatici. (è fortemente insaturo) Il benzene fu scoperto da Faraday , ma fu molto difficile trovare una formula di struttura compatibile con le sue particolari proprietà chimiche. Kekulè avanzò l’ipotesi che i 6 atomi di carbonio della molecola di benzene formassero un anello esagonale contenente 3 doppi legami. Se fosse stata lineare, sarebbe stato difficile mettere solo 6 idrogeni, quindi immagina una molecola chiusa ad anello in cui ogni C è legato ad un H ed immagina ci siano alcuni legami doppi in modo che ogni C abbia 4 legami.
Ipotizza così che i doppi legami non siano fissi ma si spostino continuamente e velocemente per raggiungere l’equilibrio. (non smettono mai di intercambiarsi) La distanza tra i C non è né quella che c’è negli alcani né quella che c’è negli acheni, è una via di mezzo. La sua teoria fa arrivare al concetto di risonanza : una specie chimica si presenta in natura come una forma intermedia ( ibrido ) tra due forme limite (verosimili ma in realtà non esistono, esiste solo il loro ibrido). Il benzene un ibrido di risonanza , una forma intermedia. Le due figure di Kekulè, quindi, non esistono. Sono solo le due forme limite del benzene sapendo che il benzene non è né una nell'altra perché è un ibrido, sta in mezzo. Con la teoria degli orbitali, stabiliamo la forma del benzene: gli atomi di C sono ibridizzati con SP] 2 (come gli alcheni), quindi ogni C ha 3 orbitali ibridi a 120*. Nella molecola del benzene, ciascun C forma un legame sigma con il C che segue e che precede -> rimane fuori un orbitale che forma l'orbitale sigma con H. Il legame sigma è un legame singolo ma nel benzene non ci sono solo legami singoli, manca P] z, l'orbitale puro.
