Valitutti, Falasca, Amadio Chimica · I legami chimici. 4 Sommario 1. Perché due atomi si legano?...
37
Transcript of Valitutti, Falasca, Amadio Chimica · I legami chimici. 4 Sommario 1. Perché due atomi si legano?...
Valitutti, Falasca, Amadio
Chimica:concetti e modelliSeconda edizione
Capitolo 11
I legami chimici
4
Sommario
1. Perché due atomi si legano?
2. Il legame ionico
3. Il legame metallico
4. Il legame covalente
5. La scala dell’elettronegatività e i legami
6. La tavola periodica e i legami tra gli elementi
7. Come scrivere le formule di struttura di Lewis
8. La forma delle molecole
9. La teoria VSEPR
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
5
Perché due atomi si legano?
Gli elementi presenti in natura sono 89 e producono circa
20 milioni di sostanze diverse.
Tutti i corpi dell’Universo esistono perché questi 89 atomi
si aggregano, cioè si legano, in vario modo, fra loro.
Ecco la prova più evidente dell’esistenza del legame
chimico.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
6
Perché due atomi si legano?
Nel 1832, Michael Faraday osserva che l’acqua pura non
conduce la corrente elettrica. Se si scioglie in acqua
cloruro di sodio, si forma una soluzione che conduce la
corrente; invece, una soluzione di acqua e zucchero non
la conduce. La differenza nella conducibilità elettrica fra
acqua, sale e zucchero
dipende dal diverso tipo
di legame chimico che
esiste fra gli atomi
costituenti le sostanze.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
7
Perché due atomi si legano?
Il legame chimico si forma se gli atomi legati tra loro
hanno un’energia minore degli atomi separati.
Se l’energia potenziale dei due atomi diminuisce, i due
atomi si uniscono formando il legame chimico (principio
dell’energia potenziale minima).
Se invece l’energia potenziale aumenta, il tentativo di
unione fallisce e gli atomi non si legano tra di loro.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
8
Perché due atomi si legano?
L’energia di legame è la quantità di energia che è
necessario fornire a una mole di sostanza per rompere
i legami che tengono uniti tutti i suoi atomi; si misura
in kJ/mol.
Tanto più grande è
l’energia di legame,
tanto più forte è il
legame che unisce
gli atomi.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
9
Perché due atomi si legano?
Gli elettroni dello strato più esterno sono chiamati elettroni di
valenza o di legame.
I gas nobili hanno una configurazione elettronica costituita
da otto elettroni esterni, a eccezione dell’elio che ne ha
soltanto due.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
10
Perché due atomi si legano?
Gilbert N. Lewis enuncia, nel 1916, la regola dell’ottetto:
un atomo è particolarmente stabile quando ha otto elettroni
nello strato di valenza.
La valenza rappresenta il numero di elettroni che un atomo
guadagna, perde o mette in comune quando si lega con
altri atomi; corrisponde, quindi, al numero di legami che
un atomo è in grado di formare.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
11
Il legame ionico
Nella formazione del cloruro di sodio, il trasferimento
di un elettrone dall’atomo di sodio all’atomo di cloro produce
due ioni (Na+ e Cl−) e permette a entrambi di raggiungere
la configurazione del gas nobile più vicino.
I due ioni, di carica opposta, si attraggono l’un l’altro per
effetto della forza elettrostatica, nasce così il legame ionico.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
12
Il legame ionico
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
Il bilancio energetico da considerare è il seguente:
• l’energia spesa dal sistema per togliere l’elettrone
all’atomo di sodio (energia di ionizzazione);
• l’energia prodotta nella formazione dello ione Cl−
(affinità elettronica);
• l’energia ricavata con l’avvicinamento degli ioni di carica
opposta (Na+ e Cl−) fino alla distanza del legame.
L’attrazione elettrostatica fornisce la spinta decisiva per la
formazione del legame.
13
Il legame ionico
Il legame ionico è dovuto alla forza di attrazione
elettrostatica che tiene uniti gli ioni di carica opposta.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
14
Il legame ionico
Osservando il sistema periodico, si può affermare, con
una certa approssimazione, che:
1. i metalli appartenenti ai gruppi I, II e III tendono a
perdere elettroni e diventano ioni positivi raggiungendo la
configurazione del gas nobile che precede il metallo;
2. il comportamento dei metalli di transizione non è così
prevedibile: l’argento perde un solo elettrone e forma lo
ione Ag+, il cadmio due (Cd2+). Lo stesso elemento,
inoltre, può dare origine a ioni con carica diversa;
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
15
Il legame ionico
3. i non metalli dei gruppi V, VI, VII tendono a prendere
elettroni e si trasformano in ioni negativi, assumendo
la configurazione del gas nobile più vicino;
4. se metalli e non metalli si incontrano, i primi cedono
gli elettroni più esterni e i secondi li acquistano;
fra questi ioni si stabilisce una forza di attrazione
che rappresenta il legame ionico.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
16
Il legame ionico
Reticolo cristallino di NaCl.
I composti ionici:
• sono solidi a temperatura ambiente;
• hanno in genere un elevato punto di fusione;
• alcuni non sono completamente solubili in acqua;
• sono buoni conduttori di elettricità sia allo stato fuso sia
in soluzione, ma non conducono la corrente elettrica allo
stato solido.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
17
Il legame metallico
Il legame metallico è dovuto all’attrazione fra gli ioni metallici
positivi e gli elettroni mobili che li circondano. La conducibilità
elettrica e termica sono dovute alla libertà di movimento degli
elettroni più esterni.
La forza del legame metallico
cambia lungo un periodo:
è debole per gli elementi con
i livelli di valenza vuoti (Cs)
e forte per gli elementi che hanno il livello semipieno (W).
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
18
Il legame covalente
Il legame covalente spiega sia come si legano
gli atomi dei non metalli sia le loro diverse
proprietà.
L’energia del legame è pari a 431 kJ/mol. La distanza tra i
due nuclei nella molecola di idrogeno è uguale a 0,74 Å.
Il legame covalente si forma quando due atomi mettono
in comune una o più coppie di elettroni.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
19
Il legame covalente
Una formula rappresentata con i simboli di Lewis
è chiamata formula di struttura.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
20
Il legame covalente
Se gli atomi condividono due o tre coppie di elettroni,
formano un legame doppio o un legame triplo.
I legami multipli sono più corti e più forti di un legame
singolo: è quindi necessaria maggiore energia per scinderli.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
21
Il legame covalente
Un particolare tipo di legame covalente è il legame dativo:
nel legame covalente dativo, la coppia di elettroni comuni è
fornita da uno solo degli atomi partecipanti al legame.
Un atomo può comportarsi da donatore nei confronti di un
atomo accettore, che in questo modo raggiunge l’ottetto.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
22
Il legame covalente
Il legame dativo giustifica la formazione di complessi
o composti di coordinazione che si originano quando
un metallo, o uno ione metallico, viene circondato
da atomi donatori di elettroni, appartenenti a molecole
o a ioni negativi.
Struttura dello ione
complesso [Cu(H2O)6]2+.
Le molecole che circondano il metallo si dicono leganti,
mentre il metallo posto al centro si chiama coordinante.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
23
La scala dell’elettronegatività e i legami
Se due atomi sono identici, esercitano la stessa forza di
attrazione sugli elettroni di legame, pertanto il legame è
covalente puro.
Se gli atomi sono di natura diversa, esercitano sugli
elettroni di legame una diversa forza di attrazione,
quindi il legame è
covalente polare,
come nell’acido cloridrico.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
24
La scala dell’elettronegatività e i legami
Il centro delle cariche positive non coincide più con il centro
delle cariche negative e si forma un dipolo (δ+ e δ−).
Quanto maggiore è la differenza di elettronegatività (Δe)
fra i due atomi che formano il legame, tanto maggiore
è la polarità del legame che li unisce.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
25
La tavola periodica e i legami tra gli elementi
Rispetto al tipo di legame, in generale:
1. gli atomi dei metalli formano tra loro legami metallici;
2. gli atomi dei non metalli formano tra loro legami covalenti;
3. se gli atomi di non metallo sono uguali, il legame è
covalente puro; se hanno diversa elettronegatività, si forma
un legame covalente polare;
4. i metalli e i non metalli formano tra loro legami ionici;
5. il carattere ionico del legame aumenta all’aumentare della
differenza di elettronegatività fra gli atomi del composto.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
26
Come scrivere le formule di struttura di Lewis
Procedimento per scrivere le formule di struttura di Lewis:
1. stabilire qual è l’atomo centrale e disporre i simboli degli
altri atomi in base al criterio di maggiore simmetria;
2. contare gli elettroni di valenza di tutti gli atomi coinvolti;
3. posizionare una coppia di elettroni tra ogni coppia
di atomi legati;
4. completare gli ottetti degli atomi legati intorno all’atomo
centrale;
5. disporre gli elettroni rimanenti sull’atomo centrale;
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
27
Come scrivere le formule di struttura di Lewis
6. se l’atomo centrale non raggiunge l’ottetto, disegnare
doppi o tripli legami;
7. verificare di aver usato il numero corretto di elettroni di
valenza.
Per SO3, per esempio, il numero complessivo di elettroni
di valenza è 24:
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
28
Come scrivere le formule di struttura di Lewis
Punti salienti per scrivere una formula di Lewis:
• l’idrogeno forma un solo legame, il carbonio quattro,
l’azoto tre e l’ossigeno due;
• gli atomi coinvolti nei legami multipli sono C, N, O e S;
• considerare sempre prima i legami singoli, poi eventuali
legami multipli;
• molecole o ioni isoelettronici, cioè con lo stesso numero
di elettroni di valenza, sono spesso isostrutturali, hanno
cioè la stessa struttura.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
29
La forma delle molecole
Per descrivere la forma delle molecole è necessario definire
alcuni parametri: la lunghezza di legame e l’angolo di legame.
La lunghezza di legame è la distanza che intercorre tra i
nuclei dei due atomi uniti da un legame covalente.
Legame tra due
atomi di idrogeno.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
30
La forma delle molecole
L’angolo di legame è l’angolo formato dagli assi che
congiungono i nuclei degli atomi legati.
Per la molecola d’acqua, è pari a 104,5°.
Intorno all’ossigeno, che è l’atomo centrale
della molecola d’acqua, si distribuiscono due coppie
elettroniche di legame; altre due coppie, appartenenti
all’ossigeno, sono invece coppie elettroniche libere,
cioè non condivise, e sono chiamate coppie solitarie.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
31
La teoria VSEPR
Nel 1957, Ronald J. Gillespie mette a punto una teoria
che consente di ricavare le architetture molecolari
dalle formule di struttura di Lewis.
La teoria, indicata con la sigla VSEPR (Valence Shell
Electron-Pair Repulsion), è detta teoria della repulsione
delle coppie di elettroni del guscio di valenza, perché
presuppone che le coppie di elettroni esterni, che hanno
la stessa carica negativa, si respingano reciprocamente.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
32
La teoria VSEPR
I principi fondamentali della teoria sono i seguenti:
• la disposizione degli atomi in una molecola dipende
dal numero totale di coppie elettroniche, libere e condivise,
appartenenti al livello di valenza, che circondano l’atomo
centrale;
• poiché coppie elettroniche di uguale segno si respingono,
esse si collocano alla maggiore distanza possibile
l’una dall’altra.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
33
La teoria VSEPR
In base al numero di coppie elettroniche intorno all’atomo
centrale si ha che:
• due coppie elettroniche determinano un assetto lineare
della molecola, con angoli di legame di 180°; tre coppie
elettroniche determinano un assetto triangolare equilatero
della molecola, con angoli di legame di 120°;
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
34
La teoria VSEPR
• quattro coppie elettroniche
determinano un assetto
tetraedrico della molecola,
con angoli di legame di 109,5°.
• se le coppie elettroniche sono cinque la struttura è
trigonale bipiramidale; se le coppie sono sei è ottaedrica.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
35
La teoria VSEPR
La forma di alcune molecole con legami covalenti semplici.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
36
La teoria VSEPR
Nelle molecole che presentano coppie libere
di elettroni:
la repulsione tra due coppie elettroniche libere è
maggiore della repulsione tra una coppia libera di
elettroni e una condivisa, che è a sua volta maggiore
della repulsione tra due coppie di elettroni condivisi.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
37
La teoria VSEPR
Strutture di alcune molecole con coppie libere di elettroni
sull’atomo centrale o con legami multipli.
Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018
![[Strutture - Acciaio] Cosro Di Costruzioni in Acciaio - Amadio](https://static.fdocumenti.com/doc/165x107/5486b0e7b4af9fa7168b4757/strutture-acciaio-cosro-di-costruzioni-in-acciaio-amadio.jpg)
