Forze intermolecolari e stati condensati

Le interazioni non covalenti (o intermolecolari) sono essenzialmente di tre tipi: forze dipolo-dipolo, forze di London e legami a idrogeno. Ciascuna ha un'intensità e un comportamento caratteristico.

Le forze dipolo-dipolo si manifestano tra molecole polari, i cui dipoli permanenti si orientano in modo che le estremità di carica opposta si attraggano. Queste interazioni sono deboli e agiscono a corto raggio, aumentando all'aumentare del momento dipolare delle molecole.

Le forze di London si verificano anche tra molecole apolari quando, a causa del movimento casuale degli elettroni, si creano dipoli temporanei che inducono dipoli nelle molecole vicine. Queste interazioni, insieme alle forze dipolo-dipolo, sono chiamate forze di van der Waals e aumentano con la dimensione e massa delle molecole.

💡 Le molecole polari possono indurre dipoli anche in molecole apolari, creando interazioni dipolo-dipolo indotto. Maggiore è la massa molare, maggiore sarà la polarizzabilità della molecola!

Il legame a idrogeno è la forza intermolecolare più intensa. Si verifica quando un atomo di idrogeno legato a un elemento molto elettronegativo (N, O o F) interagisce con un altro atomo elettronegativo. Sebbene sia circa 10 volte più debole di un legame covalente, è responsabile di proprietà fisiche importanti come l'alto punto di ebollizione dell'acqua e la contrazione di volume che si verifica mescolando acqua e alcol.

Legami a confronto

La forza di legame è collegata all'energia necessaria per separare le particelle legate. Si misura in elettronvolt (eV) per un singolo legame, o kilojoule per mole $kJ/mol$ per quantità maggiori. La scala energetica, dal legame più forte al più debole, va dal legame covalente $~400 kJ/mol$ alle forze di van der Waals $1-10 kJ/mol$.

L'ordine di grandezza delle interazioni intermolecolari determina la miscibilità di due liquidi o la solubilità di un solido in un liquido. Ad esempio, acqua e alcol sono miscibili perché entrambi formano legami a idrogeno, mentre acqua ed esano non formano un miscuglio omogeneo perché le forze di London tra molecole di esano non competono con i legami idrogeno tra molecole d'acqua.

⚗️ Questo è il motivo per cui l'olio (apolare) e l'acqua (polare) non si mescolano: le loro forze intermolecolari sono troppo diverse!

Proprietà fisiche dei solidi cristallini

I cristalli ionici sono formati da ioni legati da forti attrazioni elettrostatiche. Sono sempre solidi a temperatura ambiente, hanno alti punti di fusione, non conducono elettricità allo stato solido, ma le loro soluzioni acquose sì. Sono anche fragili perché un lieve spostamento degli ioni può causare repulsione e frattura.

I cristalli metallici hanno buona conducibilità elettrica e termica, sono lucenti e possono subire deformazione plastica (malleabilità e duttilità) grazie alla flessibilità del legame metallico. Gli elettroni mobili permettono agli ioni positivi di scivolare gli uni sugli altri senza creare forze repulsive che causerebbero fratture.

Tipi di cristalli e proprietà

I cristalli covalenti (o solidi reticolari) sono caratterizzati da legami covalenti tra gli atomi. Non sono buoni conduttori di elettricità (tranne la grafite), sono estremamente duri, hanno punti di fusione altissimi e sono insolubili in acqua e altri solventi.

I cristalli molecolari apolari sono tenuti insieme da deboli forze di van der Waals. Spesso sono solidi solo a temperature molto basse, tendono a sublimare, hanno odori caratteristici e sono solubili in solventi apolari ma non in acqua.

I cristalli molecolari polari si attraggono con legami dipolo-dipolo o legami a idrogeno. Hanno bassi punti di fusione, non conducono elettricità, e sono solubili in acqua o in sostanze discretamente polari. Molti composti organici appartengono a questa categoria.

🔍 Guardando intorno a te, puoi classificare i solidi che vedi in base al tipo di legame che presentano. Prova a capire perché alcuni si sciolgono facilmente mentre altri sono così resistenti!

Gli allotropi del carbonio

Il carbonio esiste in diverse forme chiamate allotropi:

• Nel diamante, ciascun atomo di carbonio forma quattro legami covalenti in una struttura tetraedrica rigida, trasparente, non conduttrice di elettricità ma ottimo conduttore di calore.
• Nella grafite, gli atomi di carbonio formano strati esagonali che possono scorrere facilmente uno sull'altro. Gli elettroni possono muoversi liberamente lungo i piani, rendendo la grafite un buon conduttore elettrico.
• Un singolo strato di grafite è chiamato grafene.

I solidi amorfi

I solidi amorfi non hanno una struttura cristallina ordinata, ma i loro atomi sono disposti in modo casuale. Sono considerati come liquidi ad altissima viscosità. Il vetro è un esempio comune di solido amorfo artificiale. La loro formazione dipende dalla velocità di raffreddamento: un raffreddamento molto rapido non dà tempo agli atomi di organizzarsi in una struttura cristallina.

Le proprietà intensive dello stato liquido

I liquidi presentano un elevato numero di molecole nell'unità di volume (simile ai solidi) ma, a differenza di questi, le loro molecole hanno grande mobilità e cambiano posizione frequentemente. Le proprietà dei liquidi dipendono dalla natura delle forze di coesione che agiscono al loro interno.

La tensione di vapore è la pressione esercitata dal vapore quando è in equilibrio con il liquido. Le molecole con energia cinetica superiore alla media possono sfuggire dalla superficie del liquido e passare allo stato gassoso. Questa proprietà indica la tendenza delle molecole a evaporare e dipende dall'intensità delle forze attrattive tra le molecole e dalla temperatura. I liquidi con alta tensione di vapore si chiamano volatili.

La tensione superficiale è la tendenza delle molecole della superficie a essere attratte verso l'interno del liquido. È maggiore quanto più intense sono le forze attrattive tra le molecole. Questo fenomeno spiega perché alcuni insetti possono "camminare" sull'acqua e perché le gocce tendono a formare una sfera.

💧 L'acqua ha un'alta tensione superficiale grazie ai legami a idrogeno. Per questo motivo, quando versi acqua in un bicchiere, puoi notare una piccola "cupola" che si forma sopra il bordo!

La viscosità esprime la resistenza di un fluido allo scorrimento. È un "attrito interno" che aumenta con l'intensità delle forze intermolecolari: i liquidi viscosi (come il miele) fluiscono lentamente, mentre quelli meno viscosi (come l'acqua) scorrono rapidamente.