STRUTTURA ELETTRONICA DEGLI ATOMI DI IDROGENO E OSSIGENO

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Giuliana Valeri
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1 L ACQUA H 2 O

2 STRUTTURA ELETTRONICA DEGLI ATOMI DI IDROGENO E OSSIGENO

3 IDROGENO N protoni / elettroni 1 H IDROGENO 1,0079 N protoni neutroni All idrogeno manca un elettrone per completare il livello

4 OSSIGENO N protoni / elettroni 8 O OSSIGENO 16 N protoni neutroni All ossigeno mancano due elettroni per completare il livello

5 Formula di struttura H O 105 ELETTRONE OSSIGENO IDROGENO H FORMAZIONE DI UNA MOLECOLA DELL ACQUA Mettendo in compartecipazione gli elettroni ognuno dei tre atomi completa il proprio livello elettronico Si forma un LEGAME COVALENTE Sperimentalmente si osserva che gli angoli di legame H O H sono a 105 tra loro.

6 δ δ POLARITÀ DELL ACQUA L ossigeno, come tutti gli elementi della tavola periodica che si trovano a destra e in alto della tavola periodica tende ad attrarre su di sé gli elettroni del legame. Viceversa l idrogeno ha tendenza a cedere gli elettroni del legame. Si dice che l ossigeno è più elettronegativo dell idrogeno. Quindi gli elettroni del legame tendono a trovarsi mediamente più vicini all atomo di ossigeno che a quello di idrogeno. Ne risulta un ineguale distribuzione di cariche Il legame viene detto COVALENTE POLARE

7 δ δ La molecola dell acqua si può considerare un dipolo con una parte parzialmente negativa (corrispondente alla zona dell ossigeno) e una parzialmente positiva (corrispondente alla zona degli idrogeni). Nella scala di Pauling la differenza di elettronegatività fra H e O è 1,4 che corrisponde a un legame avente circa il 40% di carattere ionico

8 IL LEGAME A IDROGENO Per questo motivo l atomo di idrogeno di una molecola di acqua è attratto mediante forze elettrostatiche dall atomo di ossigeno di un altra molecola di acqua. Questo legame debole è detto LEGAME A IDROGENO

9 Dimostriamo che l acqua è una molecola polare

10 Facciamo scorrere dell acqua da una buretta Il filo d acqua è verticale

11 La Strofinando carica della una bacchetta bacchetta induce con un le panno, molecole questa si d acqua carica a disporsi con elettrostaticamente la parte che ha carica di segno contrario. Si ha attrazione elettrostatica Avvicinandola alla buretta, si nota una deviazione del filo d acqua verso la bacchetta

12 CONFRONTO CON L H2S Anche se è un legame molto debole è sufficiente a far sì che le molecole d acqua siano più strettamente legate fra loro rispetto ad altre molecole simili. Altre molecole, anche a peso molecolare maggiore come l acido solfidrico, hanno una differenza molto piccola di elettronegatività fra gli atomi coinvolti nel legame, quindi non formano legami covalenti polari e di conseguenza non formano legami a idrogeno. (per rompere un legame a idrogeno bastano circa 4 Kcal/mol contro le 110 che ci vogliono per rompere un legame covalente OH)

13 Caratteristica Acqua (H2O) Acido solfidrico (H2S) Peso molecolare C Temperatura di fusione Temperatura di ebollizione Differenza di elettronegatività 100 C 60 C 1,4 0,38 Polarità del legame si no si no Forma legami a idrogeno La maggior parte delle sostanze a basso peso molecolare sono gassose a temperatura ambiente. L acqua invece bolle ad una temperatura molto più alta di quelle che si misurano sulla superficie terrestre, anche se è una molecola relativamente piccola. Ci vuole infatti più energia ad allontanare molecole più strettamente legate fra loro.

CARATTERISTICHE DELL ACQUA Le caratteristiche principali derivanti dalla polarità dell acqua sono: Alto potere solvente per i sali Non scioglie i composti apolari Presenta il fenomeno della tensione

14 CARATTERISTICHE DELL ACQUA Le caratteristiche principali derivanti dalla polarità dell acqua sono: Alto potere solvente per i sali Non scioglie i composti apolari Presenta il fenomeno della tensione superficiale Alto punto di fusione Alto punto di ebollizione Acqua allo stato gassoso Acqua allo stato solido Alto calore di vaporizzazione Acqua allo stato liquido L acqua è uno dei pochi composti che alle temperature ordinarie presenti sulla Terra presenta contemporaneamente tutti e tre gli stati di aggregazione

15 Il cloruro di sodio è un cristallo ionico, formato da ioni Na e Cl posti ai vertici di infiniti cubi. Milioni di atomi in fila sono visibili ad occhio nudo

16 Vediamo perché l acqua scioglie i sali ionici o parzialmente ionici

17 Le molecole di acqua si dispongono attorno allo ione Na con la parte negativa Gli ioni Clattraggono invece la parte positiva dell acqua

18 Le molecole di acqua staccano gli ioni dal reticolo cristallino. Si ha la disgregazione del cristallo. Il sale si è SCIOLTO Gli ioni singoli non sono visibili ad occhio nudo.

19 Viceversa l acqua non scioglie i composti non polari (come l olio) perché non si stabiliscono queste forze attrattive

20 Vi sono alcuni composti, come i saponi e alcuni grassi polari che hanno nella loro molecola zone idrofile (polari) e zone idrofobe (non polari).

21 In acqua si dispongono in modo da esporre la parte idrofila, mentre le estremità idrofobiche tendono ad evitare il contatto con l acqua. Questi aggregati si chiamano MICELLE

22 La tendenza dell acqua a formare micelle con i lipidi polari è importante nella formazione delle membrane biologiche. Le micelle sono state probabilmente il primo tentativo di organizzazione cellulare nei mari poco profondi, (ricchi di materiale organico), nei quali si pensa si sia originata la vita.

23 IL CALORE SPECIFICO DELL ACQUA A causa dei legami a idrogeno le molecole d acqua sono più strettamente legate fra loro rispetto ad altri liquidi Quindi serve molta energia per far innalzare la temperatura dell acqua e per farla evaporare

24 Si dice, allora che l acqua ha un alto CALORE SPECIFICO (540 Kcal/Kg) 37 C 36 C Quando si suda l acqua presente nei tessuti umani evapora facendo abbassare la temperatura corporea. Questo meccanismo si chiama TERMOREGOLAZIONE.

25 LA PROPRIETÀ DEL GHIACCIO Il ghiaccio ha un importante proprietà fisica: allo stato solido è meno denso dell acqua. Infatti, alla temperatura di 0 C si ha: densità ghiaccio = 0,9168 g/cm3 densità acqua liquida =0,9998 g/cm3 In ciò il ghiaccio si differenzia dalla maggior parte delle altre sostanze.

26 LA STRUTTURA CRISTALLINA DEL GHIACCIO La minore densità del ghiaccio si spiega considerando il modo con cui l acqua solidifica Infatti, nel ghiaccio, le molecole di acqua, si dispongono ai vertici di esagoni regolari, rispettando la formazione dei legami a idrogeno Questa conformazione è tale che vi siano delle regioni vuote che diminuiscono l impaccamento delle molecole rispetto all acqua liquida

27 Questo spiega il motivo per cui il ghiaccio galleggia sull'acqua. Ciò è molto importante Il ghiaccio, rimanendo in superficie, protegge da un ulteriore abbassamento della temperatura gli strati d acqua sottostanti. Al di sotto dello strato ghiacciato, infatti, la temperatura rimane superiore allo zero, consentendo la vita dei pesci e di tutti gli altri organismi della comunità acquatica. Se il ghiaccio fosse stato più pesante dell acqua, si ghiaccerebbe tutta l acqua del mare, ad eccezione di un piccolo strato superficiale.

28 EROSIONE La proprietà dell'acqua di espandersi quando congela ha ripercussioni geologiche ed ecologiche notevoli. Quando penetra nelle fessure delle rocce e solidifica, aumenta di volume ed esercita una pressione in grado di frantumarle: questo processo contribuisce quindi al fenomeno dell EROSIONE

29 Si poggia un ago su un foglio di carta assorbente posto delicatamente sull acqua Si bagnano i bordi del foglio per appesantirlo. Quando il foglio di carta va a fondo l ago rimane a galla Agitando la superficie dell acqua l ago va a fondo

30 Lo stesso fenomeno avviene versando del detersivo A causa del legame a idrogeno le molecole di acqua formano sono più strettamente legate e formano una specie di pellicola impermeabile. Questo fenomeno è detto TENSIONE SUPERFICIALE Tutto ciò che altera questo equilibrio rompe la pellicola impermeabile di acqua.

31 La tensione superficiale spiega anche perché gli insetti, vincendo la forza di gravità riescono a pattinare sull acqua.

Il fenomeno della tensione superficiale spiega anche perché una goccia d acqua è sferica! Le molecole in superficie subiscono un attrazione diversa da quelle nel centro.

32 Il fenomeno della tensione superficiale spiega anche perché una goccia d acqua è sferica! Le molecole in superficie subiscono un attrazione diversa da quelle nel centro. Quindi la superficie dell acqua subisce un attrazione verso il centro cercando di ottenere la minor area possibile; ecco il motivo della forma sferoidale della goccia d'acqua!

33 Ed inoltre Tutte le reazioni chimiche del nostro metabolismo avvengono in acqua Il mezzo liquido favorisce l interazione delle molecole perché facilita gli urti efficaci SENZA L ACQUA NON CI SAREBBE VITA

34 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFIA B.H.Mahan Chimica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano Morrison Boyd Chimica Organica, CEA Ternay Chimica Organica Contemporanea, CEA I. Polati G. Sacco, Chimica, Juvenilia Le immagini sono tratte da internet

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