Il legame tra le molecole

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Graziana Vaccaro
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Innanzitutto osserviamo che il confine tra legami covalenti apolari e legami covalenti polari corrisponde a 0.4.

1 1 Il legame tra le molecole Il legame covalente polare Non tutti i legami covalenti sono uguali tra loro. All'interno di questa classe vi è un'ulteriore suddivisione: i legami covalenti apolari e i legami covalenti polari. Innanzitutto osserviamo che il confine tra legami covalenti apolari e legami covalenti polari corrisponde a 0.4. Quando la differenza di elettronegatività è inferiore a questo valore si ha a che fare con un legame covalente apolare (chiamato anche legame covalente puro) mentre quando la differenza di elettronegatività è maggiore di 0.4 (e minore di 1.7) si ha a che fare con un legame covalente polare (o polarizzato). Per capire la differenza che intercorre tra i due casi possiamo prendere in esame due situazioni simili: il legame covalente tra due atomi di cloro e il legame covalente che si osserva nell'acido cloridrico. Nel primo caso troviamo che gli elettroni sono messi in comune in modo normale ; i due elettroni si trovano a metà strada tra i due atomi. Nel caso invece del legame covalente tra idrogeno e cloro troviamo un legame covalente nel quale gli elettroni si trovano mediamente più vicini all'atomo di cloro che non all'atomo di idrogeno. Il cloro, avendo un'elettronegatività maggiore dell'idrogeno attira più fortemente verso di sé gli elettroni del legame covalente. Si ha quindi una distribuzione asimmetrica degli elettroni di legame. Questa distribuzione asimmetrica ha una conseguenza molto importante: all'interno della molecola covalente polare si formano due zone distinte nelle quali si trovano delle cariche elettriche parziali. Nel nostro caso il cloro dell'acido cloridrico avrà una parziale carica negativa mentre l'idrogeno avrà una parziale carica positiva. Si forma un cosiddetto dipolo elettrico che solitamente è indicato con un vettore (come le forze a fisica).

2 La forma delle molecole Finora abbiamo visto come gli atomi si attaccano tra loro per formare le molecole. Il passo successivo è capire la geometria effettiva delle molecole.

coppie e cerca di rimanere il più lontano possibile dalle alte. Con questo principio si ottengono tre casi.

2 2 La forma delle molecole Finora abbiamo visto come gli atomi si attaccano tra loro per formare le molecole. Il passo successivo è capire la geometria effettiva delle molecole. Capire di preciso le regole che definiscono la geometria delle molecole è molto difficile e non sarà discusso in questa sede; tuttavia il risultato finale è relativamente semplice e può anche essere interpretato in maniera intuitiva. La regola fondamentale è che ogni coppia di elettroni che si trova su un atomo (sia come coppia di legame covalente, sia come coppia di elettroni non leganti) avverte una repulsione verso le altre coppie e cerca di rimanere il più lontano possibile dalle alte. Con questo principio si ottengono tre casi. Le molecole tetraedriche Quando un atomo si connette con gli altri solamente attraverso legami semplici si avranno 4 coppie di elettroni che si respingono a vicenda: Nello spazio tridimensionale la forma geometrica più conveniente nella quale riescono a disporsi è la forma tetraedrica (piramide a base triangolare). Alcuni facili esempi sono il metano, l'ammoniaca, ecc. Le molecole planari Quando invece si ha un doppio legame l'atomo in questione ha solamente tre gruppi di elettroni che si respingono (due gruppi di due elettroni e u gruppo di 4 elettroni). In questo caso la forma appropriata sarà un triangolo

3 Le molecole lineari Se ci sono due legami doppi, oppure un legame triplo si avranno solamente due gruppi di elettroni che si respingono e la molecola sarà lineare.

3 3 Le molecole lineari Se ci sono due legami doppi, oppure un legame triplo si avranno solamente due gruppi di elettroni che si respingono e la molecola sarà lineare. Dobbiamo ora combinare le osservazioni precedenti e capire come sarà la disposizione degli elettroni all'interno delle molecole covalenti. Facciamo alcuni esempi. Importante è la somma vettoriale di tutti i dipoli elettrici. Se la somma è nulla la molecola non avrà un dipolo totale, mentre se la soma non è nulla ci sarà un dipolo totale. Le sostanze che possiedono un dipolo totale sono chiamate sostanze polari, mentre quelle che ne sono prive si chiamano sostanze apolari. Il dipolo elettrico totale di una molecola Esercizio Provate a dare una forma a tutte le molecole sotto elencate, e cercate di capire se sono presenti dipoli e dove: Anidride carbonica (CO 2 ) Acqua ossigenata (H 2 O 2 ) Metanolo (CH 3 OH) Alcol (C 2 H 5 OH) Acetilene (gas per saldare) (C 2 H 2 ) Etilene (gas per il polietilene) (C 2 H 4 ) Propano (C 3 H 8 ) Acetone (C 3 H 6 O) Butano (gas campeggio) (C 4 H 10 ) Due C concatenati; uno dei due lega l'ossigeno Tre C concatenati Tre C concatenati; il C al centro lega l'ossigeno

4 Interazione dipolodipolo Prendiamo delle molecole polari (es. acqua, acido cloridrico, alcol, ecc. ).

quindi tutte le molecole si disporranno in modo da massimizzare le forze di attrazione.

Nel caso dell'acqua il legame dipolo dipolo è talmente forte e ben strutturato che ha un nome particolare: si chiama legame idrogeno.

Interazione dipolo-ione Perché il sale (o i sali) si sciolgono in acqua?

4 4 Interazione dipolodipolo Prendiamo delle molecole polari (es. acqua, acido cloridrico, alcol, ecc. ). tra di loro ci saranno delle forze di attrazione dovute al fatto che una parte della molecola ha una carica positiva mentre l'altra ha una carica negativa e quindi tutte le molecole si disporranno in modo da massimizzare le forze di attrazione. Osserveremo anche che le sostanze polari si sciolgono bene tra loro: infatti le forze dipolo dipolo vengono conservate. Nel caso dell'acqua il legame dipolo dipolo è talmente forte e ben strutturato che ha un nome particolare: si chiama legame idrogeno. Nell'immagine finale si può ben osservare perché le sostanze polari si sciolgono tra loro. I dipoli sono in grado di disporsi in modo favorevole. Interazione dipolo-ione Perché il sale (o i sali) si sciolgono in acqua? Abbiamo visto che i sali sono composti da ioni positivi e ioni negativi, ordinati in un reticolo. Se messi a contatto con l'acqua molti sali si sciolgono: le forze di attrazione tra gli ioni nel solido sono sostituite da forze tra gli ioni e i dipoli del solvente. Tuttavia questa sostituzione di forze non è sempre efficiente; a volte i dipoli non sono in grado di rompere le forze tra determinati ioni. Per questo motivo esistono sali più solubili e sali meno solubili.

5 5 Le forze di Van der Waals Le sostanze che non possiedono un dipolo hanno comunque deboli forze di attrazione tra una molecola e l'altra. Queste forze sono dovute al fatto che gli elettroni, in perenne movimento attorno agli atomi, possono per brevi momenti essere casualmente distribuiti in modo asimmetrico. Tale distribuzione influenza le molecole limitrofe che si adattano, spostano anche loro un pochino della loro densità elettronica in modo appropriato. Certamente queste forze sono estremamente labili, si formano e si rompono velocemente, al contrario delle forze dipolo dipolo. Tuttavia sono forze che aumentano di importanza con l'aumentare delle dimensioni delle molecole e del numero di elettroni in questione.

6 Il razzismo dell'acqua (e delle molecole polari) Proviamo ora ad immaginare perché l'acqua non si mischia con l'olio e viceversa. La ragione è molto semplice.

Per questo motivo le sostanze polari non accettano che delle sostanze apolari si possano infiltrare tra loro.

6 6 Il razzismo dell'acqua (e delle molecole polari) Proviamo ora ad immaginare perché l'acqua non si mischia con l'olio e viceversa. La ragione è molto semplice. Aggiungendo molecole apolari (senza dipolo) ad un insieme di molecole polari succederà una cosa molto ovvia: tutta una serie di forze di attrazione dipolodipolo andranno perse. Per questo motivo le sostanze polari non accettano che delle sostanze apolari si possano infiltrare tra loro. Il funzionamento dei saponi È incredibile quanti fenomeni possiamo spiegare con le conoscenze di base che abbiamo posto. I saponi per esempio hanno un funzionamento facile da capire. Possiedono una parte della molecola che è polare o in certi casi addirittura ionica(e che quindi ama l'acqua), mentre l'altra parte ha un comportamento decisamente apolare e quindi amante dei grassi. I saponi si aggregano quindi in quelle che tecnicamente si chiamano micelle. Una micella è un aggregato sferico di molecole di sapone dove la parte apolare si ritrova all'interno e la parte polare all'esterno. Lo sporco e l'unto che deve essere rimosso durante il lavaggio entra all'interno della micella e viene in un certo senso reso solubile in acqua. Temi di ricerca e sviluppo delle conoscenze 1) Cerca informazioni a proposito della struttura molecolare e del comportamento dei fosfolipidi. Noti qualche analogia con quanto visto finora? Ci sono legami con la biologia? 2) Cerca informazioni a proposito dei liposomi, della loro struttura molecolare, del loro comportamento e delle applicazioni in ambito medico. 3) Cerca informazioni a proposito delle bolle di sapone (gioco). Perché si formano? 4) Costruisci una mappa mentale che riassuma tutta l'unità didattica integrando quanto trovato nei punti precedenti.

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