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Molecole e legami
Chimica generale
Atomi e molecole
• È estremamente difficile trovare in natura una sostanza formata solamente da atomi semplici – Solo i gas inerti dell’ottavo gruppo sono presenti in natura come
gas monoatomici
• Da sempre i chimici hanno avuto difficoltà a scoprire ed isolare gli elementi della tavola periodica
• In realtà è possibile trovare gli atomi degli elementi combinati tra loro in molecole o composti ionici.
• Le sostanze formate da singoli atomi isolati (non legati tra loro) sono rare in condizioni normali
• Perché… – …in genere tutti gli atomi cercano di completare il
loro guscio di valenza… • …e lo fanno legandosi con altri atomi
Elementi e composti
• Sostanze elementari
– Formate da atomi dello stesso tipo
– O2; N2; Cl2; P4; S8; Au; Cu; Na;
• Composti
– Sostanze formate da almeno 2 elementi diversi
– H2O; CO2; NH3; H2CO3; NaCl; KMnO4; Fe2O3; CH3CH2OH;
Elettronegatività
• È un parametro empirico che permette di misurare la capacità di un elemento di attrarre su di sé gli elettroni di legame
• I metalli sono meno elettronegativi dei non-metalli
Stabilità
• I sistemi per raggiungere la stabilità sono vari ma prevedono due meccanismi:
– trasferimento di elettroni (legame ionico)
– condivisione di elettroni (legame covalente e legame metallico)
• Tutti prevedono il coinvolgimento degli elettroni di valenza, cioè gli elettroni del guscio più esterno.
Le molecole
• Le molecole sono combinazioni di almeno due atomi – Uguali
– Diversi
• Sono legati tra loro da forze di interazione
• Queste forze di interazione sono chiamate legami chimici
I legami chimici
• Le unioni tra atomi in cui intervengono forze attrattive di natura elettrica tra elettroni di valenza di un atomo e nucleo dell’altro
• La natura dei legami chimici è di tipo elettrostatico – Gli atomi sono legati a causa di interazioni elettrostatiche
• Attrattive tra ioni di carica opposta
• Attrattive tra elettroni e nucleo di atomi diversi
• Repulsive tra elettroni di atomi diversi
• Repulsive tra nuclei di atomi diversi
• Gli elettroni coinvolti sono gli elettroni di valenza
Il legame ionico
• È la forza di attrazione che tiene uniti gli ioni di segno opposto
• Gli ioni di carica opposta si formano poiché ci sono elementi che hanno una fortissima tendenza a perdere elettroni ed altri ad acquistarne
• Avviene uno scambio
Me Me+ N-Me N-Me-
• Abbiamo già visto che i metalli reagiscono con i non-metalli
• I metalli alcalini reagiscono, con grande violenza, con l’acqua cedendo molto facilmente un elettrone
– Basta perdere l’unico elettrone di valenza per conseguire uno strato di valenza completo
– Hanno bassa energia di prima ionizzazione
Na
I metalli
+
Na Na
Li Li
+
isoelettronico con il neon
isoelettronico con l’elio
Na + EI Na+ + 1e-
Li + EI Li+ + 1e-
I non-metalli • Molti non-metalli hanno la tendenza a
acquistare uno o più elettroni
• Hanno un’affinità elettronica elevata
• Così facendo si caricano negativamente
• La famiglia degli alogeni mostra questa tendenza in modo spiccato – Possono acquistare un elettrone per completare il
loro strato di valenza
– L’atomo si carica negativamente
F -
Cl Cl-
isoelettronico con l’argo
Cl + 1e- Cl- + AE
Formare il legame ionico
• Se due elementi con una forte differenza di elettronegatività sono posti a contatto avverranno due cose: – Ci sarà uno scambio di elettroni e formazione di cationi (+) e
anioni (-)
– Cationi e anioni si organizzano per formare una sostanza ionica
• Le sostanze ioniche sono: – Formate da una sequenza regolare e ordinata di cationi e
anioni nello spazio
• La forza che mantiene l’insieme stabile è indicata come legame ionico
I composti ionici
• Sono solidi cristallini
• Sono costituiti da un reticolo tridimensionale e ordinato di cationi e anioni che si dispongono in modo da annullare le cariche opposte (il composto è neutro)
• La formula di un sale non indica una molecola ma solo il rapporto numerico delle specie chimiche nel cristallo
- -
- -
-
+
+ +
+
+
+ +
+
+ +
+ +
NaCl rapporto 1:1
Il legame covalente • Si realizza quando due atomi
condividono una o più coppie di elettroni – Le coppie elettroniche sono chiamate
doppietti di legame
– In un doppietto di legame ciascun atomo fornisce un elettrone
– Si raggiunge l’ottetto anche così
H H H H H H
Le molecole • Le molecole sono combinazioni di
almeno due atomi – Uguali
– Diversi
• Sono legati tra loro da forze di interazione
• Queste forze di interazione sono chiamate legami covalenti
O H H
Definizione
• Legame covalente – È la forza di attrazione tra due atomi dovuta a una
coppia di elettroni condivisa
• Caratteristiche importanti – Ciascun atomo mette in compartecipazione un
singoletto
– Per formare 1 legame ci vogliono 2 elettroni
– È un legame molto forte
– È un legame fortemente direzionale
– Può essere rappresentato con un trattino
. F F . F F
Legami multipli • Quando c’è più di un singoletto su un
atomo questo può formare più di un legame covalente
• Se tutti e due gli atomi hanno più di un singoletto si possono formare legami multipli (doppi o tripli)
O: :O N N :C: :O O:
Sostanze molecolari
• Sono formate da molecole relativamente piccole, pochi atomi, legati tra loro solo da legami covalenti
• Possono essere solide, liquide o aeriformi
• Esempi tipici sono: lo iodio (I2), l’acqua (H2O), il metano (CH4), lo zolfo (S8), il cloro (Cl2)
• Non sono molto dure e si sfaldano facilmente (quando sono solide)
• Hanno punti di fusione e di ebollizione bassi; tutte le sostanze gassose sono delle sostanze molecolari
Sostanze macromolecolari
• Sono formate da aggregazioni di moltissimi atomi legati tra loro da legami covalenti
• Esempi tipici sono: proteine, DNA, amidi, materie plastiche