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Legami chimici (sia intra che inter molecolari) e proprietà dell’acqua

Legami chimici (sia intra che inter molecolari) e proprietà dell’acqua

 I LEGAMI CHIMICI
Gli 89 elementi presenti in natura si legano tra loro per dar vita a ogni tipo di corpo esistente
nell'Universo; ovviament

Legami chimici (sia intra che inter molecolari) e proprietà dell’acqua

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Simone Lo Presti

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Sintesi

riassunto contenente i punti principali dell’argomento

Non c'è niente di adatto? Esplorare altre aree tematiche.

I LEGAMI CHIMICI Gli 89 elementi presenti in natura si legano tra loro per dar vita a ogni tipo di corpo esistente nell'Universo; ovviamente non tutte le combinazioni tra atomi sono possibili, ma ne esistono una grande varietà. Affinchè si instauri un legame chimico fra due o più atomi, è necessario che il processo di aggregazione a partire da atomi isolati liberi energia (Emolecola<Eatomo), questa energia è uguale a quella che dovremmo fornire al composto per separarlo, essa è detta energia di legame (e tanto più è grande tanto più è stabile la molecola) La tavola periodica è lo strumento più semplice per individuare il tipo di legame che si forma tra gli atomi: 1. Gli atomi dei metalli formano tra loro legami metallici; 2. Gli atomi dei non metalli formano tra loro legami covalenti; 3. Metalli e non metalli formano tra loro legami ionici o fortemente polari (il carattere ionico del legame aumenta all'aumentare della differenza di elettronegatività tra gli atomi del composto) IL LEGAME METALLICO Forma cristalli metallici, caratterizzati dall'attrazione di ioni metallici positivi e di elettroni mobili che li circondano (detti mare di elettroni o mare di Fermi ). + + + • se Aen<0,4 il legame sarà covalente apolare (o omeopolare) • se 0,4<^en<1,9 il legame sarà covalente polare (o eteropolare) + + ioni metallici + IL LEGAME COVALENTE Si forma...

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quando due atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni; e lo fanno seguendo la cosiddetta regola dell'ottetto: "quando un atomo si combina con altri, raggiunge la massima stabilità scambiando o condividendo elettroni, in modo da raggiungere la configurazione elettronica esterna (a otto o due elettroni) del gas nobile più vicino nella tavola periodica". elettroni del guscio di valenza In un legame covalente gli elettroni appartengono contemporaneamente a entrambi gli atomi che li condividono e sono quindi attratti da entrambi i nuclei; se gli atomi condividono più coppie elettroniche il legame sarà covalente multiplo (doppio o triplo). Esistono però diversi "tipi" di legame covalente, che differiscono l'uno dall'altro dalla differenza di elettronegatività che c'è fra gli atomi che si legano: • se Aen=0 il legame sarà covalente puro (si instaura quindi fra atomi dello stesso tipo, un esempio sono le molecole biatomiche H2, N2, O2, F2, Cl2, l2, Br₂) elettronegatività 2,20 3,16 carica positiva 8+ 8- Nel legame covalente polare l'atomo più elettronegativo esercita più forza sugli elettroni di legame, che risultano quindi più spostati verso il suo nucleo; ci saranno parziale quindi un polo parzialmente negativo e uno parzialmente positivo (si crea un dipolo) legame covalente polare Un particolare tipo di legame covalente è il legame covalente dativo, che si forma fra due atomi di cui uno ha già raggiunto l'ottetto esterno, si comporta allora da donatore nei confronti dell'altro atomo (accettore) fornendo da solo la coppia di elettroni da mettere in comune. dipolo carica negativa parziale IL LEGAME IONICO Si presenta all'aumentare del carattere polare di un legame, in particolare quando Aen>1,9 (indicativamente), in questo caso l'atomo più elettronegativo riesce ad acquisire un elettrone dall'altro atomo rendendolo ione positivo, e divenendo lui ione negativo, si instaura così il legame ionico, un' attrazione elettrostatica tra due ioni di carica opposta (senza condivisione di elettroni) che determina la formazione di un composto ionico (reticoli cristallini). LE FORZE INTERMOLECOLARI Le forze intermolecolari (tra molecole) sono forze di natura elettrostatica che mantengono le molecole vicine tra loro nello spazio vuoto. Tra le forze intermolecolari troviamo: LE FORZE DI VAN DER WAALS - Sono interazioni a corto raggio, ovvero deboli e separate da brevi distanze, che agiscono tra dipoli I dipoli sono sistemi che hanno due poli elettrici con uguale carica d ma di segno opposto e separati da una certa distanza d. Sono caratterizzati dal proprio momento dipolare µ=d.d, una grandezza vettoriale (orientata sempre verso l'atomo più elettronegativo) che aumenta quindi all'aumentare della carica elettrica e della loro distanza. Una molecola è polare se la somma dei momenti dipolari di tutti i suoi legami è diversa da zero. Possiamo pero prevedere se una molecola è polare o apolare, questo dipende dalla sua geometria! (in genere: molecole del tipo AXn sono polari se sono presenti coppie elettroniche libere in A e apolari se non ci sono; molecole del tipo AXnYm sono polari se non ci sono coppie elettroniche libere in A) - Si distinguono in base ai “tipi" di dipoli che si legano: forze di Keesom (dipolo permanente-dipolo permanente), le molecole si orientano con l'estremità positiva di un dipolo rivolta verso quella negativa dell'altro; forze di Debye (dipolo permanente-dipolo indotto), una molecola polare urta una molecola apolare inducendo un dipolo; forze di London (dipolo temporaneo-dipolo indotto), succede la stessa cosa del precedente caso, a differenza che il dipolo che rende polare l'altra molecola non è permanente ma si dice temporaneo, perché a causa del moto caotico degli elettroni può succedere che la carica della molecole risulti sbilanciata in alcuni istanti e si crei un dipolo (appunto temporaneamente) ● atomo di ossigeno (polo negativo) atomo di idrogeno (polo positivo) H 8+ legame a idrogeno Molecola non ancora polarizzata. HH attrazione La loro intensità decresce molto rapidamente all'aumentare della distanza tra le molecole e aumenta al crescere delle dimensioni e della massa delle molecole dipoli permanenti IL LEGAME A IDROGENO È un'interazione dipolo-dipolo particolare che si forma fra tutte le molecole che contengono un atomo di idrogeno legato covalentemente a un atomo piccolo e molto elettronegativo (F, O, N) che possegga almeno una coppia elettronica libera. molecola d'acqua Il dipolo della molecola a induce un momento di dipolo nella molecola vicina, b (dipolo indotto). Si instaura un interazione tra il dipolo temporaneo a e il dipolo indotto b. (In ordine di intensità: forze di London e Debye < forze di Keesom < legami a idrogeno < legami intramolecolari ) Bisogna poi dire che la polarità delle molecole influisce sulla maggiore o minore solubilità della sostanza stessa nei vari solventi. È noto infatti che "ogni simile scioglie il proprio simile": i solventi apolari come benzina, tetracloruro di carbonio e cherosene, sciolgono composti formati da molecole apolari (come naftalina e olio); i solventi polari come acqua, alcol e acetone sciolgono molecole polari come lo zucchero o i composti ionici come il cloruro di sodio NaCl, la struttura fortemente dipolare delle sue molecole infatti consente la formazione di legami ione-dipolo tra gli ioni che costituiscono il cristallo ionico le molecole di acqua che fungono da solvente (l'acqua rompe il legame ionico del sale). LE PROPRIETÀ DELL'ACQUA Dipendono proprio dal legame a idrogeno (o ponte idrogeno). Le molecole d'acqua possono formare quattro legami idrogeno con le loro vicine, per creare una struttura tetraedrica le cui facce sono triangoli equilateri. Questa configurazione si ripete in tutto il liquido fino a formare una sorta di reticolo tridimensionale mobile, elastico, con legami che si formano e si rompono di continuo. L'acqua non è quindi un semplice insieme di molecole tra loro dissociate, bensì una struttura legata, che come tale si comporta anche a livello macroscopico. Tra queste vi sono: -TEMPERATURE DI EBOLLIZIONE E FUSIONE: Nell'acqua sono molto più alte rispetto a quelle di altre molecole simili (che si trovano infatti allo stato gassoso), questo perché i legami a idrogeno sono più numerosi e forti nella molecole dell'acqua che in qualsiasi altra. Di conseguenza aumenta anche il calore specifico, ovvero l'energia che serve per innalzare la temperatura dell'acqua. -CAPILLARITÀ: La capillarità è un fenomeno dovuto all'effetto combinato di forze di adesione e coesione grazie al quale l'acqua può risalire le pareti di uno stretto recipiente, violando il principio dei vasi comunicanti. Con l'adesione le molecole dell'acqua stabiliscono un contatto con le molecole della parete del recipiente, grazie al legame idroge queste molecole riescono ad "arrampicarsi" lungo le pareti, mentre la forte coesione consente alla massa d'acqua di rimanere unita salendo. Questo fenomeno è tanto più evidente quanto più piccolo è il capillare. (Grazie alla capillarità l'acqua può raggiungere la cima anche degli alberi più alti e un fazzoletto di carta o una spugna si inzuppano con facilità) -TENSIONE SUPERFICIALE: L'acqua ha un'elevata tensione superficiale perché tra le molecole è presente una forte coesione (dovuta ai legami idrogeno), che tende a tenerle unite. (Grazie a questo fenomeno: molti insetti riescono a camminare sull'acqua, visto che la loro massa non è sufficiente a rompere i legami tra le molecole d'acqua presenti in superficie; le goccioline d'acqua assumono una forma sferica; un bicchiere si può riempire per qualche millimetro oltre il bordo, senza traboccare) Ghiaccio I legami idrogeno sono stabili Legame idrogeno 1 H₂O Acqua allo stato liquido I legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente SOLIDIFICAZIONE FUSIONE SUBLIMAZIONE -AUMENTO DEL VOLUME DI CONGELAMENTO: Un altro comportamento anomalo dell'acqua è dato dall'aumento del volume dallo stato liquido a quello solido. Nell'acqua liquida agiscono due forze opposte: i legami a idrogeno da una parte tendono ad organizzare il reticolo di tetraedri mentre il movimento caotico delle molecole ne impedisce la perfetta formazione. Quando l'acqua congela i tetraedri sono obbligati a formarsi e la struttura complessiva assume la configurazione più aperta e meno densa. Questo è il motivo per cui, stranamente, il ghiaccio galleggia. (Anche a livello domestico sono ben note le conseguenze di questo fenomeno: quando la temperatura va sottozero le tubazioni piene d'acqua si rompono, così come una bottiglia piena messa nel freezer) EVAPORAZIONE CONDENSAZIONE BRINAMENTO

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I LEGAMI CHIMICI Gli 89 elementi presenti in natura si legano tra loro per dar vita a ogni tipo di corpo esistente nell'Universo; ovviamente non tutte le combinazioni tra atomi sono possibili, ma ne esistono una grande varietà. Affinchè si instauri un legame chimico fra due o più atomi, è necessario che il processo di aggregazione a partire da atomi isolati liberi energia (Emolecola<Eatomo), questa energia è uguale a quella che dovremmo fornire al composto per separarlo, essa è detta energia di legame (e tanto più è grande tanto più è stabile la molecola) La tavola periodica è lo strumento più semplice per individuare il tipo di legame che si forma tra gli atomi: 1. Gli atomi dei metalli formano tra loro legami metallici; 2. Gli atomi dei non metalli formano tra loro legami covalenti; 3. Metalli e non metalli formano tra loro legami ionici o fortemente polari (il carattere ionico del legame aumenta all'aumentare della differenza di elettronegatività tra gli atomi del composto) IL LEGAME METALLICO Forma cristalli metallici, caratterizzati dall'attrazione di ioni metallici positivi e di elettroni mobili che li circondano (detti mare di elettroni o mare di Fermi ). + + + • se Aen<0,4 il legame sarà covalente apolare (o omeopolare) • se 0,4<^en<1,9 il legame sarà covalente polare (o eteropolare) + + ioni metallici + IL LEGAME COVALENTE Si forma...

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quando due atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni; e lo fanno seguendo la cosiddetta regola dell'ottetto: "quando un atomo si combina con altri, raggiunge la massima stabilità scambiando o condividendo elettroni, in modo da raggiungere la configurazione elettronica esterna (a otto o due elettroni) del gas nobile più vicino nella tavola periodica". elettroni del guscio di valenza In un legame covalente gli elettroni appartengono contemporaneamente a entrambi gli atomi che li condividono e sono quindi attratti da entrambi i nuclei; se gli atomi condividono più coppie elettroniche il legame sarà covalente multiplo (doppio o triplo). Esistono però diversi "tipi" di legame covalente, che differiscono l'uno dall'altro dalla differenza di elettronegatività che c'è fra gli atomi che si legano: • se Aen=0 il legame sarà covalente puro (si instaura quindi fra atomi dello stesso tipo, un esempio sono le molecole biatomiche H2, N2, O2, F2, Cl2, l2, Br₂) elettronegatività 2,20 3,16 carica positiva 8+ 8- Nel legame covalente polare l'atomo più elettronegativo esercita più forza sugli elettroni di legame, che risultano quindi più spostati verso il suo nucleo; ci saranno parziale quindi un polo parzialmente negativo e uno parzialmente positivo (si crea un dipolo) legame covalente polare Un particolare tipo di legame covalente è il legame covalente dativo, che si forma fra due atomi di cui uno ha già raggiunto l'ottetto esterno, si comporta allora da donatore nei confronti dell'altro atomo (accettore) fornendo da solo la coppia di elettroni da mettere in comune. dipolo carica negativa parziale IL LEGAME IONICO Si presenta all'aumentare del carattere polare di un legame, in particolare quando Aen>1,9 (indicativamente), in questo caso l'atomo più elettronegativo riesce ad acquisire un elettrone dall'altro atomo rendendolo ione positivo, e divenendo lui ione negativo, si instaura così il legame ionico, un' attrazione elettrostatica tra due ioni di carica opposta (senza condivisione di elettroni) che determina la formazione di un composto ionico (reticoli cristallini). LE FORZE INTERMOLECOLARI Le forze intermolecolari (tra molecole) sono forze di natura elettrostatica che mantengono le molecole vicine tra loro nello spazio vuoto. Tra le forze intermolecolari troviamo: LE FORZE DI VAN DER WAALS - Sono interazioni a corto raggio, ovvero deboli e separate da brevi distanze, che agiscono tra dipoli I dipoli sono sistemi che hanno due poli elettrici con uguale carica d ma di segno opposto e separati da una certa distanza d. Sono caratterizzati dal proprio momento dipolare µ=d.d, una grandezza vettoriale (orientata sempre verso l'atomo più elettronegativo) che aumenta quindi all'aumentare della carica elettrica e della loro distanza. Una molecola è polare se la somma dei momenti dipolari di tutti i suoi legami è diversa da zero. Possiamo pero prevedere se una molecola è polare o apolare, questo dipende dalla sua geometria! (in genere: molecole del tipo AXn sono polari se sono presenti coppie elettroniche libere in A e apolari se non ci sono; molecole del tipo AXnYm sono polari se non ci sono coppie elettroniche libere in A) - Si distinguono in base ai “tipi" di dipoli che si legano: forze di Keesom (dipolo permanente-dipolo permanente), le molecole si orientano con l'estremità positiva di un dipolo rivolta verso quella negativa dell'altro; forze di Debye (dipolo permanente-dipolo indotto), una molecola polare urta una molecola apolare inducendo un dipolo; forze di London (dipolo temporaneo-dipolo indotto), succede la stessa cosa del precedente caso, a differenza che il dipolo che rende polare l'altra molecola non è permanente ma si dice temporaneo, perché a causa del moto caotico degli elettroni può succedere che la carica della molecole risulti sbilanciata in alcuni istanti e si crei un dipolo (appunto temporaneamente) ● atomo di ossigeno (polo negativo) atomo di idrogeno (polo positivo) H 8+ legame a idrogeno Molecola non ancora polarizzata. HH attrazione La loro intensità decresce molto rapidamente all'aumentare della distanza tra le molecole e aumenta al crescere delle dimensioni e della massa delle molecole dipoli permanenti IL LEGAME A IDROGENO È un'interazione dipolo-dipolo particolare che si forma fra tutte le molecole che contengono un atomo di idrogeno legato covalentemente a un atomo piccolo e molto elettronegativo (F, O, N) che possegga almeno una coppia elettronica libera. molecola d'acqua Il dipolo della molecola a induce un momento di dipolo nella molecola vicina, b (dipolo indotto). Si instaura un interazione tra il dipolo temporaneo a e il dipolo indotto b. (In ordine di intensità: forze di London e Debye < forze di Keesom < legami a idrogeno < legami intramolecolari ) Bisogna poi dire che la polarità delle molecole influisce sulla maggiore o minore solubilità della sostanza stessa nei vari solventi. È noto infatti che "ogni simile scioglie il proprio simile": i solventi apolari come benzina, tetracloruro di carbonio e cherosene, sciolgono composti formati da molecole apolari (come naftalina e olio); i solventi polari come acqua, alcol e acetone sciolgono molecole polari come lo zucchero o i composti ionici come il cloruro di sodio NaCl, la struttura fortemente dipolare delle sue molecole infatti consente la formazione di legami ione-dipolo tra gli ioni che costituiscono il cristallo ionico le molecole di acqua che fungono da solvente (l'acqua rompe il legame ionico del sale). LE PROPRIETÀ DELL'ACQUA Dipendono proprio dal legame a idrogeno (o ponte idrogeno). Le molecole d'acqua possono formare quattro legami idrogeno con le loro vicine, per creare una struttura tetraedrica le cui facce sono triangoli equilateri. Questa configurazione si ripete in tutto il liquido fino a formare una sorta di reticolo tridimensionale mobile, elastico, con legami che si formano e si rompono di continuo. L'acqua non è quindi un semplice insieme di molecole tra loro dissociate, bensì una struttura legata, che come tale si comporta anche a livello macroscopico. Tra queste vi sono: -TEMPERATURE DI EBOLLIZIONE E FUSIONE: Nell'acqua sono molto più alte rispetto a quelle di altre molecole simili (che si trovano infatti allo stato gassoso), questo perché i legami a idrogeno sono più numerosi e forti nella molecole dell'acqua che in qualsiasi altra. Di conseguenza aumenta anche il calore specifico, ovvero l'energia che serve per innalzare la temperatura dell'acqua. -CAPILLARITÀ: La capillarità è un fenomeno dovuto all'effetto combinato di forze di adesione e coesione grazie al quale l'acqua può risalire le pareti di uno stretto recipiente, violando il principio dei vasi comunicanti. Con l'adesione le molecole dell'acqua stabiliscono un contatto con le molecole della parete del recipiente, grazie al legame idroge queste molecole riescono ad "arrampicarsi" lungo le pareti, mentre la forte coesione consente alla massa d'acqua di rimanere unita salendo. Questo fenomeno è tanto più evidente quanto più piccolo è il capillare. (Grazie alla capillarità l'acqua può raggiungere la cima anche degli alberi più alti e un fazzoletto di carta o una spugna si inzuppano con facilità) -TENSIONE SUPERFICIALE: L'acqua ha un'elevata tensione superficiale perché tra le molecole è presente una forte coesione (dovuta ai legami idrogeno), che tende a tenerle unite. (Grazie a questo fenomeno: molti insetti riescono a camminare sull'acqua, visto che la loro massa non è sufficiente a rompere i legami tra le molecole d'acqua presenti in superficie; le goccioline d'acqua assumono una forma sferica; un bicchiere si può riempire per qualche millimetro oltre il bordo, senza traboccare) Ghiaccio I legami idrogeno sono stabili Legame idrogeno 1 H₂O Acqua allo stato liquido I legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente SOLIDIFICAZIONE FUSIONE SUBLIMAZIONE -AUMENTO DEL VOLUME DI CONGELAMENTO: Un altro comportamento anomalo dell'acqua è dato dall'aumento del volume dallo stato liquido a quello solido. Nell'acqua liquida agiscono due forze opposte: i legami a idrogeno da una parte tendono ad organizzare il reticolo di tetraedri mentre il movimento caotico delle molecole ne impedisce la perfetta formazione. Quando l'acqua congela i tetraedri sono obbligati a formarsi e la struttura complessiva assume la configurazione più aperta e meno densa. Questo è il motivo per cui, stranamente, il ghiaccio galleggia. (Anche a livello domestico sono ben note le conseguenze di questo fenomeno: quando la temperatura va sottozero le tubazioni piene d'acqua si rompono, così come una bottiglia piena messa nel freezer) EVAPORAZIONE CONDENSAZIONE BRINAMENTO