LEGAMI CHIMICI 1

LICEO SCIENTIFICO STATALE“LEONARDO da VINCI” di FIRENZE

CORSO SPERIMENTALE FDOCENTE Prof. Enrico Campolmi

LEGAMI CHIMICI

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I legami chimici sono i modi in cui gli atomi si legano tra di loro

Tranne i gas nobili, gli atomi di tutti gli elementi si trovano legati ad altri atomi, dello stesso tipo, come nelle sostanze elementari, o di tipo diverso, come nelle sostanze composte.

Legandosi gli atomi raggiungono, almeno formalmente, la configurazione elettronica del gas nobile più vicino

Nei legami gli atomi entrano in contatto tra loro, ma ciò avviene unicamente con gli elettroni più esterni, cioè quelli dell’ultimo livello energetico

Il numero ed il tipo di legami che un atomo forma sono determinati dalla sua configurazione elettronica esterna e rientrano nelle sue proprietà chimiche.

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Il legame chimico esistente tra gli atomi determina il comportamento chimico della sostanza.

2H2 + O2 → 2H2O

Cl

H

La rappresentazione di Lewis

O

N

G. N. Lewis (1875 – 1946)

OH Hacqua

H2OO

H

HO

acqua ossigenata

H2O2

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LEGAME COVALENTE

Nella configurazione elettronica esterna si definisce:

Singoletto o elettrone spaiato Doppietto

Il legame covalente si realizza tra due atomi che abbiano nell’ultimo livello energetico almeno un elettrone spaiato

I due orbitali atomici si fondono, per formare un orbitale di legame, che circonda entrambi i nuclei, al suo interno si trovano i due elettroni spaiati, con spin opposto (vale sempre il principio di Pauli)

I due elettroni risentono dell’attrazione di ambo i nuclei atomici e ruotano intorno ad entrambi.

Essi non appartengono più ai singoli atomi, bensì ad ambedue: i due atomi hanno messo ognuno in compartecipazione un orbitale con un elettrone

+ +H 1S1

H 1S1

Atomi isolati

+ +H H

Molecola d’idrogeno

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Legame singolo

Molecola: gruppo di atomi legati da legame covalente

I due atomi sono legati tramite una sola coppia di legame

Gli elettroni non coinvolti nel legame formano coppie di non legame

OH Hacqua

Cl

ClMolecola di cloro Cl2

Cl

HMolecola di acido cloridrico HCl

ammoniaca

NH HH

Legame doppio

I due atomi sono legati tramite due coppie di legame

OOMolecola di ossigeno O2

Legame triplo

I due atomi sono legati tramite tre coppie di legame

Molecola di azoto N2

N N

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Formula minima (o bruta): indica il tipo di atomi presenti nella sostanza con le loro reciproche proporzioni

Formula molecolare: (solo per le molecole) indica il reale raggruppamento di atomi che formano la molecola H2O2

HO

In tantissimi casi formula minima e formula molecolare coincidono H2O

Legame covalente puro (o omeopolare): si realizza quando i due atomi che si legano hanno la stessa elettronegatività (avviene solo tra i non metalli allo stato elementare)

+ +H H

Gli elettroni ruotano allo stesso modo intorno ad ambo i nuclei

La distribuzione della carica elettrica è uniforme; la molecola è simmetrica e non polare

Dipolo elettrico: coppia di cariche elettriche di uguale grandezza, ma di segno opposto, separate da una certa distanza

+ ─

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Legame covalente polare (o eteropolare): si realizza quando i due atomi che si legano hanno differente elettronegatività (avviene solo nei composti tra non metalli)

L’elemento più elettronegativo attira gli elettroni di legame con maggior forzaGli elettroni di legame passano più tempo intorno al nucleo dell’atomo con elettronegatività maggiore

La distribuzione della carica elettrica non è uniforme; la molecola è asimmetrica e polare

Cl

HIl centro delle cariche positive è spostato verso l’atomo meno elettronegativo; il centro delle cariche negative è spostato verso l’atomo più elettronegativo

Le molecole polari mostrano significative peculiarità, soprattutto in relazione alla capacità di legarsi tra loro e di sciogliere determinati composti

δ–

δ+

OH H

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Ione ammonio NH4+

N

HH HH+Legame dativo: è un legame covalente polare che si realizza tra un atomo con un orbitale pieno ed un atomo con un orbitale vuoto

NH HH

H

A parte la differente appartenenza degli elettroni, un legame dativo ha le stesse proprietà di un legame covalente normale.

LEGAME IONICO

Si realizza tra atomi con grossa differenza di elettronegatività (metalli e non metalli)

L’elemento più elettronegativo strappa uno o più elettroni all’elemento meno elettronegativo.

L’elemento più elettronegativo diventa un anione, mentre l’elemento meno elettronegativo diventa un catione.

Anioni e cationi si attirano con una forza di tipo elettrostatico

Cl− Na+ Cl− Na+ Cl−

Cl− Na+ Cl− Na+Na+

Cl− Na+ Cl− Na+ Cl−

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Ogni catione è attratto da tutti gli anioni che lo circondano e viceversa.

Il legame ionico è molto forte

Il legame è adirezionale

Tutti i composti ionici sono solidi a temperatura ambiente, con elevata temperatura di fusione

I solidi ionici tuttavia sono fragili: se una sollecitazione li deforma, ioni di segno uguale possono venire a contatto, generando forze repulsive che rompono il solido.

Cl− Na+ Cl− Na+ Cl−

Cl− Na+ Cl− Na+Na+

Cl− Na+ Cl− Na+ Cl−

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Ioni poliatomici (molecole ioni o ioni molecolari): raggruppamenti di atomi legati con legame covalente (cioè molecole), al cui interno il numero totale dei protoni è diverso da quello degli elettroni

NH HH

H

NH4+

S

SO42-

O

O OO

CO32-

C

O

OO

Si comportano esattamente come gli ioni monoatomici, coi quali possono formare legami, essendo tuttavia più grossi rispetto a questi ultimi

Possono essere sia anioni, che cationi

Solo i non metalli (più Cr e Mn) possono formare ioni poliatomici

1° gruppo: solo cationi monoatomici monovalenti (Na+; K+ ecc.)

I tipi più comuni di ioni che si riscontrano nei vari gruppi

2° gruppo: solo cationi monoatomici bivalenti (Mg 2+; Ca 2+ ecc.)

3° gruppo: cationi monoatomici trivalenti (Al 3+) e anioni poliatomici (BO33-)

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4° gruppo: cationi monoatomici tetravalenti (Sn4+; Pb4+) e bivalenti (Sn2+; Pb2+); anioni poliatomici (CO3

2-; SiO44-)

5° gruppo: raramente ioni monoatomici positivi (Bi3+) o negativi (N3-); più spesso anioni poliatomici (NO3-; PO3

3- ecc.)

6° gruppo: anioni monoatomici bivalenti (O2-; S2-); anioni poliatomici (SO42-;

SO32-)

7° gruppo: anioni monoatomici monovalenti (Cl-; F-; ecc.); anioni poliatomici (ClO4-; ClO-; BrO4- ecc.)

La transizione dal legame covalente a quello ionico avviene gradualmente, con l’aumento della differenza di elettronegatività

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LEGAME METALLICO

+ + + + + +

+ + + + + +

+ + + + + +

In un solido metallico ogni atomo mette a disposizione del legame alcuni dei suoi elettroni più esterni, condividendoli con tutti gli altri atomi legati.

I metalli hanno bassa energia di ionizzazione

La struttura è costituita da un insieme ordinato e compatto di cationi immersi in una nuvola di elettroni mobili, che appartengono a tutti i cationi e li legano tra loro

I metalli sono duttili e malleabili e conducono bene il calore e l’elettricità

+ + + + + +

+ + + + + +

+ + + + + +

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LEGAME TRA MOLECOLE

Lo stato fisico di una sostanza dipende dall’energia con cui sono legate le sue particelle

La temperatura di fusione e di ebollizione forniscono una misura diretta di tale energia

Il legame covalente è molto forte, ma le sostanze covalenti (tranne alcune eccezioni) sono gas, liquidi o solidi basso fondenti

Nelle sostanze covalenti vi sono due diversi tipi di legame:

• legame covalente intramolecolare molto forte

• legame intermolecolare debole

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Solidi covalenti macromolecolari: costituiscono un’eccezione a quanto detto in precedenza

Al loro interno miliardi di atomi, legati nelle tre direzioni dello spazio da legami covalenti, formano un’unica grande molecola; tali sostanze hanno pertanto elevata temperatura di fusione.

Carbonio diamante

Carbonio grafiteQuarzo

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Legame dipolo - dipolo: si realizza nelle molecole polari e consiste nell’attrazione tra le parti caricate con segno opposto dei dipoli delle varie molecole, che si orientano opportunamente

E’ un legame piuttosto deboleLegame idrogeno (o a ponte di idrogeno): si realizza tra molecole nelle quali vi è dell’idrogeno legato ad elementi molto elettronegativi

L’esempio più importante è l’acqua, dove un atomo di idrogeno di una molecola si lega ad una coppia di non legame di un ossigeno di un’altra molecola O

H H

OH H

OH HO

H Hδ+

δ-

H F H FH F H F Acido fluoridrico

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Legame dipolo istantaneo – dipolo istantaneo: si realizza nelle molecole apolari, o negli atomi dei gas nobili, quando, casualmente e per un istante, si produce una separazione delle cariche

++ ++

Induzione elettrostatica: fenomeno fisico in cui un oggetto dotato di carica elettrica induce una separazione delle cariche in un corpo adiacente

Legame dipolo istantaneo – dipolo indotto: si realizza quando un dipolo istantaneo induce la polarizzazione di una molecola (o di un atomo) adiacente

++ ++++ ++

Legami tra molecole non polari (tra atomi di gas nobili)

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Legame dipolo indotto – dipolo indotto: ultima delle possibili combinazioni dei fenomeni precedentemente descritti

Tutti i legami tra molecole non polari sono temporanei, ma interessano tutte le molecole della sostanza.

Non si può stabilire esattamente quanti dipoli si formano in ogni istante, ma è plausibile che ce ne siano sempre abbastanza per formare legami

Questi legami spiegano come, sia pur a temperatura estremamente basse, anche le molecole non polari, ed i gas nobili, possano esistere allo stato liquido o solido.

I legami di questo tipo aumentano di intensità all’aumentare delle dimensioni delle molecole coinvolte, che diventano più facilmente polarizzabili.

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Legame ione - dipolo: E’ il legame che spiega la solubilità in acqua dei composti ionici e covalenti polari

Cl−

Cl− Na+ Cl− Na+ Cl−

Cl− Na+ Cl− Na+Na+

Cl− Na+ Cl− Na+

Cl− Na+

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ENERGIA DI LEGAME

E’ l’energia che si deve impiegare per rompere il legame stesso, separando gli atomi

Più forte è il legame tra gli atomi di un composto, tanto più stabile sarà il composto medesimo

Questo concetto ci servirà per comprendere i meccanismi con cui avvengono le reazioni chimiche Energia

atomiisolati

atomiunitiEnergia

di legame

2H2 O2+ → 2H2O

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L’energia di legame dipende da tre fattori: Energia di legame in kJ/mole

H−H 463

N≡N 941H−F 565

H−Cl 431

H−Br 364H−I 297H−O 463HO 29O═O 494C═O 707

C−C 348

C−H 413

Li+ H− 244

Na+ H− 201

K+ H− 180

Le dimensioni degli atomi legati: un legame tra atomi piccoli è più forte di uno tra atomi grandi

Il tipo di legame: il legame covalente, quello ionico e quello metallico sono legami forti; i legami intermolecolari sono invece deboli

Il numero di legami esistenti tra i singoli atomi: la forza del legame covalente aumenta col numero dei legami esistenti tra gli atomi

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THE END