L'energia media V di interazione fra uno ione avente carica q e un dipolo permanente ad una distanza r Ä

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Onorato Parisi
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1 Interazioni intermolecolari Interazioni ione-dipolo Interazioni dipolo-dipolo Interazione dipolo permanente-dipolo indotto Interazione dipolo istantaneo-dipolo indotto Forze di Van der Waals Legame idrogeno 1

permanente-dipolo indotto Interazione dipolo

2 Interazioni ione-dipolo L'energia media V di interazione fra uno ione avente carica q e un dipolo permanente ad una distanza r Ä V q 4 r dove il segno negativo indica che l'interazione Ä attrattiva. Questo legame intermolecolare Ä all'origine della solubilitä delle sostanze ioniche in acqua: nella cosiddetta idratazione il catione attrae l estremitç negativa dei dipoli dell acqua, l anione l estremitç positiva. Il numero di molecole di acqua legate, denominato numero di idratazione dello ione, Ä direttamente proporzionale alla carica dello ione e inversamente proporzionale alla sua dimensione. Ioni piccoli come Li +, a +, F, O sono capaci di legare anche molecole di acqua nella sfera di idratazione

Questo legame intermolecolare Ä all'origine della solubilitä delle sostanze ioniche in acqua: nella cosiddetta idratazione il catione attrae l estremitç negativa dei dipoli dell

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4 Interazioni dipolo-dipolo Le sostanze molecolari polari hanno di solito un p.f. e un p.e. pié alti di quelli di sostanze apolari, o scarsamente polari, di pari peso molecolare. Le molecole polari interagiscono tra loro allo stato condensato (liquido o solido) con energia media di interazione, V, fra due dipoli permanenti A e B distanti r pari a V 2 3 (4 dove k B Ä la costante di Boltzmann. L interazione diminuisce al crescere della distanza e della temperatura assoluta T. 2 A 2 0) r 2 B 6 k B T 4

due dipoli permanenti A e B distanti r pari a V 2 3 (4 dove k B Ä la costante di Boltzmann.

Interazione dipolo permanente-dipolo indotto Una molecola polare puñ indurre su una molecola apolare distante r un momento di dipolo indotto, dando luogo ad

5 Interazione dipolo permanente-dipolo indotto Una molecola polare puñ indurre su una molecola apolare distante r un momento di dipolo indotto, dando luogo ad un'interazione intermolecolare attrattiva: V ' dove Ä il momento dipolare della molecola polare e α' Ä il volume di polarizzabilitç della molecola non polare. 0 r 6 5

un'interazione intermolecolare attrattiva: V ' 4 2 1 dove Ä il momento dipolare

6 Interazione dipolo istantaneo-dipolo indotto Finora abbiamo considerato interazioni in coppie di molecole in cui almeno una delle due era polare. Tuttavia anche fra molecole di sostanze apolari, come per esempio il metano C 4, deve esistere una forma di attrazione, visto che anche tali sostanze sono in grado di liquefare e solidificare. La forza corrispondente a questa interazione si chiama forza di dispersione di London. Essa si origina dalla presenza di dipoli istantanei, che anche le molecole apolari possiedono, dovuti alla fluttuazione della carica elettronica. Un dipolo istantaneo induce un dipolo sulla molecola adiacente generando l interazione attrattiva. L intensitç dell interazione dipende dalla polarizzabilitç delle molecole in quanto il momento dipolare istantaneo dipende dalla mobilitç degli elettroni. L'energia di interazione fra due molecole apolari uguali Ä V dove I Ä l'energia di ionizzazione. Per molecole con elevata polarizzabilitç la forza di dispersione prevale sulle altre interazioni intermolecolari viste precedentemente. 3 4 Per esempio, le basi aromatiche presenti nei polinucleotidi hanno una alta delocalizzazione degli elettroni e quindi una alta polarizzabilitç: questo spiega l impilamento (stacking) degli anelli aromatici nell elica del DA, simile a quello di un rotolo di monete sovrapposte. ' r 2 6 I 6

La forza corrispondente a questa interazione si chiama forza di dispersione di London.

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8 Forze di Van der Waals Attrazione di van der Waals In generale, l interazione attrattiva totale fra molecole neutre, polari o apolari, denominata attrazione di van der Waals, dipende dal contributo delle interazioni descritte precedentemente, dipolare, di induzione e di dispersione. Dato che tutte e tre dipendono dall inverso della sesta potenza della distanza si puñ esprimere unitariamente l energia di attrazione come V dove la costante di proporzionalitç A dipende dall identitç delle molecole interagenti. V A 6 r Repulsione di van der Waals Tutti gli atomi e le molecole si respingono a brevi distanze, a causa della repulsione dei nuclei e degli elettroni, chiamata repulsione sterica o di van der Waals. La repulsione avviene sia fra due atomi di una stessa molecola (intramolecolare), sia fra due atomi di molecole diverse (intermolecolare). L energia di interazione della repulsione Ä di solito rappresentata dalla relazione dove la costante di proporzionalitç B dipende dalla natura degli atomi. La repulsione cresce inversamente a r 12, cioä molto bruscamente. B 12 r 8

Dato che tutte e tre dipendono dall inverso della sesta potenza della distanza si puñ esprimere unitariamente l energia di attrazione come V dove la costante di proporzionalitç A dipende dall

9 Interazione totale Per ottenere l energia netta dell interazione intermolecolare si sommano le energie di repulsione e di attrazione viste precedentemente: B A V 12 6 r r Questa relazione dç il potenziale di Lennard-Jones, che si presenta, graficamente, cosö: V 4E r r 0 12 r 0 r 6 V/10-22 J La curva di ciascuna specie (Ar o 2 ) rappresenta il potenziale di Lennard- Jones. Il parametro r 0, corrispondente a V = 0, Ä la somma dei raggi di van der Waals (in pm) delle specie interagenti, mentre E, la profonditç della buca di potenziale, dç l energia dell interazione intermolecolare. 9

V/10-22 J La curva di ciascuna specie (Ar o 2 ) rappresenta il potenziale di Lennard- Jones.

10 Legame a idrogeno un caso speciale di interazione intermolecolare Il legame A B Å lineare, ossia Å spesso prossimo a 180Ç; ma si osservano anche angoli minori. 10

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14 I legami intermolecolari sono fra i fattori determinanti della struttura supra-molecolare, cioå del modo con cui si legano le molecole fra di loro. Per esempio nella struttura a doppia elica del DA secondo Watson e Crick sono presenti legami a idrogeno fra le basi aromatiche pirimidina-purina di due catene del DA, e precisamente tre legami fra le basi citosina e guanina (C-G) e due legami fra adenina e timina (A-T): Rib O O C - G Rib Rib A - T O O C 3 Rib 14

Per esempio nella struttura a doppia elica del DA secondo Watson e Crick sono presenti legami a idrogeno fra le

15 I legami intramolecolari sono tra i fattori determinanti della conformazione delle molecole. Per esempio, nella conformazione ad -elica delle proteine secondo Pauling e Corey, sono presenti legami fra ogni gruppo C=O della catena proteica ed il gruppo della quarta unité monomerica successiva: O O O O O O Come si vede dalla rappresentazione tridimensionale a lato, la particolare conformazione della catena permette interazioni intramolecolari fra gruppi C=O ed che sono vicini nello spazio. 15

della catena proteica ed il gruppo della quarta unité monomerica successiva: O O O O O O Come si vede dalla

16 PerchÅ il ghiaccio galleggia? 16

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