LEGAME CHIMICO:GENERALITA. Maria Grazia Volpe

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1 LEGAME CIMICO:GENERALITA Maria Grazia Volpe

2 TESTI CONSIGLIATI W.. BROWN, C.S. FOOTE, B. L. IVERSON, E.V. ANSLYN Chimica Organica, IV Edizione EdiSES, NAPOLI. J. G. Smith Chimica Organica, McGraw-ill, Milano T.W. Graham Solomons Chimica Organica, Zanichelli, Bologna. D Auria, Scafati, Zampella, Guida ragionata allo svolgimento di Esercizi di Chimica Organica, Loghìa, Napoli

3 Riferimenti libro di testo Come ogni anno, anche per questo semestre la EdiSES prevede la possibilitp ossibilità di fornire a prezzi scontati i propri volumi agli studenti dell UNISANNIO. Per permettere ai vostri studenti di usufruire di questa opportunit nità,, vi prego come sempre di dar loro il mio numero di cellulare il primo giorno di lezione, in occasione della presentazione dei volumi di testo. Tale iniziativa ha avuto buon successo negli anni passati, sintomo di un interesse degli studenti a lavorare sui volumi ORIGINALI. Ci tengo a specificare che questa iniziativa presume un grosso sforzo s economico sia da parte della casa editrice che da parte della cartolibreria Pensato Stampato, nostro partner per il secondo anno di seguito, ma che siamo pronti ad affrontare per combattere il fenomeno delle fotocopie che, purtroppo, nell area sannita è sempre più dilagante. dott.ssa Rossella Bianco (responsabile commerciale) EdiSES srl Cell Tel /07 Fax

4 Chimica Organica Definizione La chimica organica è la chimica dei composti contenenti carbonio La chimica dei composti contenenti legami carbonio-carbonio Il carbonio è l unico elemento capace di legarsi fortemente con se stesso e formare lunghe catene o anelli e allo stesso tempo capace di legarsi fortemente con elementi non metallici come idrogeno, ossigeno, azoto e con gli alogeni. Per queste sue proprietà questo elemento dà origine a miriadi di composti (sono noti diversi milioni di composti, corrispondenti a circa il 98% di tutte le sostanze chimiche note, e il loro numero continua a crescere)

5 Composti organici Composti inorganici

6 Generalità Fino al 1828 i chimici erano convinti che i composti si dividessero ero in due categorie o classi ben distinte: composti inorganici, provenienti dal mondo minerale, come c per esempio il sale da cucina estratto dalle miniere o dalle acque marine, il cloruro di sodio,, e composti organici, provenienti dagli organismi viventi sia animali che vegetali, come per esempio lo zucchero ottenuto dalla barbabietola o dalla canna da zucchero. I composti inorganici e organici non si differenziano solo per la diversa origine, ma anche per le loro proprietà: le molecole inorganiche si decompongono con più difficoltà, ad esempio è necessario arrivare a temperature molto elevate prima che i sali si decompongano; le molecole organiche, al contrario, si decompongono facilmente, ad esempio lo zucchero si degrada a carbonio e acqua quando viene scaldato eccessivamente In passato, i chimici conoscevano diverse proprietà di alcune sostanze organiche e sapevano anche manipolarle e trasformarle: sapevano, ad esempio, estrarre l alcol dalla frutta, alcuni zuccheri dalle piante, numerose sostanze medicamentose e numerosi coloranti. Tuttavia, a nessuno era mai venuto in mente di riprodurre queste sostanze in laboratorio ma tutti si erano limitati a utilizzare ciò che il mondo vivente e minerale potesse offrire. Infatti, una particolarità della storia della chimica è la difficoltà che i primi chimici incontrarono a sintetizzare composti organici in laboratorio. In effetti, la sintesi dei composti organici presenta maggiori difficoltà a differenza di molti derivati inorganici che al contrario possono essere sintetizzati facilmente.

7 Sviluppo della Chimica Organica

8 Teoria del Vitalismo Le difficoltà nella sintesi organica e il fatto che tali composti derivassero dagli organismi viventi portarono i primi chimici a ipotizzare che fosse una forza vitale (in latino vis vitalis) il potere mistico o soprannaturale che permetteva la loro sintesi. Questa teoria, nota con il nome di vitalismo, sembra spiegare la causa per la quale i chimici del XVIII secolo erano incapaci di sintetizzare in laboratorio materiale organico. La teoria del vitalismo crollò definitivamente grazie a un esperimento eseguito in Germania nel 1828 da un chimico tedesco, Friedrich Wohler ( ).

9 Una nota storica: sintesi del primo composto organico (l'urea) partendo da sostanze inorganiche. N 4 OCN Cianato d ammoniod O 2 NCN 2 Urea Nel 1828 Friedrich Wöhler W scoprì che quando l ammonio cianato era dissolto in acqua calda, si convertiva ad urea. L ammonio cianato e l urea l sono isomeri costituzionali di C 4 N 2 O. L ammonio cianato è inorganico. inorganico. L Urea è organica. organica. Wöhler ha il merito di aver contribuito a scardinare la teoria del vitalismo. vitalismo.

10 Cenni storici 1828 Wohler ottiene l urea l per riscaldamento del cianato d ammonio 1860 Cannizzaro fa la distinsione tra formule empiriche e formule molecolari 1861 Kekulè,, Couper e Butlerov stabiliscono la tetravalenza del carbonio. Sviluppano la Teoria Strutturale e per la prima volta definiscono la chimica organica come studio dei composti del carbonio 1874 Van t t off e Le Bell introducono la terza dimensione nello studio dei composti organici

11 Tavola degli elementi 1 s 2 2 s 2 2p 2 6 C

12 IL CARBONIO Il carbonio, appartenendo al quarto gruppo della tavola periodica, possiede quattro elettroni di valenza e, perciò, può formare quattro legami che nella maggior parte dei composti organici sono di tipo covalente. Esso è detto tetravalente proprio per i suoi quattro elettroni di valenza ed è in grado di realizzare legami molto stabili e al fine di raggiungere l ottetto l ossia la configurazione più stabile in quanto simile a quella del gas nobile (così detto perché non reattivo) più vicino, il Neon Questo dipende dalla posizione centrale che il carbonio occupa nella n tavola periodica: non essendo né fortemente elettronegativo nén fortemente elettropositivo, forma legami covalenti con altri atomi. Oltre che con atomi di idrogeno, ossigeno e azoto, gli atomi di carbonio riescono a legarsi anche ad altri atomi di carbonio, formando catene, anche molto lunghe, o anelli formati dal susseguirsi di atomi di carbonio che assumono forme tridimensionali estremamente e diverse tra loro; infatti esistono molecole le quali, a parità di composizione chimica, differiscono totalmente per struttura, proprietà chimiche e fisiche. Le molecole che si originano in questo modo sono particolarmente stabili e, a temperatura ambiente, non reagiscono o nén con l ossigeno l nén con l acqua. La straordinaria capacità che il carbonio presenta di legarsi anche a se stesso con legami i semplici, doppi o tripli è riconducibile al fatto che orbitali ibridi concorrono alla formazione delle molecole. Infatti, la disponibilità di un orbitale vuoto nel livello energetico di valenza permette al carbonio tre tipi diversi di ibridazione, con formazione di orbitali sp3, sp2, ed sp

13 Struttura dell atomo Attorno al nucleo possono esserci al massimo 7 gusci con elettroni orbitanti. Ogni guscio può contenere solo un numero limitato di elettroni Il cuore di un atomo è formato da un nucleo che è molto piccolo rispetto all'atomo, ma ne contiene quasi tutta la massa. Le particelle che lo compongono sono i protoni e i neutroni. Il numero dei protoni del nucleo è il numero atomico di un elemento; quello di protoni e dei neutroni insieme indica, invece, il numero di massa. Gli elettroni, che sono esterni al nucleo, sono numericamente uguali uali ai protoni, ma hanno una massa molto piccola.

14 ISOTOPI Atomi che hanno lo stesso numero atomico ma differente numero di massa Es C 13 C 14 C 98.89% 1.11% tracce Z = 1 Z = 6

15 Distribuzione degli elettroni nell atomo Configurazione elettronica

16 Perché gli atomi si legano? Come si possono descrivere i legami elettronicamente?

17 Perché gli atomi si legano? Perché il composto risultante è più stabile (formazione del legame liberazione di energia)

18 Energie in gioco nella formazione Di un legame chimico

19 bassa attrazione a distanze elevate Energia Potenziale + Distanza Internucleare

20 Energia Potenziale le forze attrattive aumentano più velocemente delle repulsive quando gli atomi si avvicinano + Distanza Internucleare

21 la massima attrazione netta si ha (minima energia potenziale) a una distanza internucleare di =0,74 A Energia Potenziale 0,74 A kcal/mol 2 Distanza Internucleare

22 le forze repulsive crescono più rapidamente a distanze internucleari minori di 0,74 A Energia Potenziale 0,74 A kcal/mol 2 Distanza Internucleare

23 La chimica di molti elementi dei gruppi principali è governata dalla loro tendenza ad assumere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino

24

25 Legami Ionici

26 Legame Ionico Il legame ionico è la forza di attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta Na e - Cl + e - Na + Cl - Basso potenziale di ionizzazione Alta affinità elettronica Na + (catione) Cl (anione)

27 Legame Ionico I legami ionici sono comuni nei composti inorganici ma rari in quelli organici. Il carbonio mostra una minore tendenza a formare cationi rispetto ai metalli, e una minore tendenza a formare anioni rispetto ai non metalli.

28 Il Legame Covalente

29 Il Modello di Lewis dei Chimici Legami Nel 1916 G. N. Lewis propose che gli atomi si combinano in modo da raggiungere la piu stabile configurazione elettronica La massima stabilità è raggiunta quando un atomo è isoelettronico con un gas nobile. Una coppia elettronica condivisa tra due atomi costituisce il legame covalente.

30 Legame Covalente nell 2 Due atomi di idrogeno, ciascuno con 1 elettrone,.. Possono condividere questi elettroni in un legame covalente. : Ciò conferisce all idrogeno una configurazione Elettronica simile all elio.

31 Legame Covalente nell F 2 Due atomi di fluoro, ciascuno con 7 elettroni di valenza,.... F... :. F:.. possono condividere gli elettroni in un legame covalente..... :.. F:.. F : La condivisione degli elettroni conferisce al fluoro una configurazione elettronica simile al neon

32 La Regola Dell Ottetto Nel formare i composti, gli atomi guadagnano, perdono o condividono elettroni per assumere una configurazione elettronica stabile caratterizzata da otto elettroni di valenza..... :.. F:.. F : La regola dell ottetto è la la più utile in casi che coinvolgono legami covalenti per C, N, O, e F.

33 Combinare un atomo di carbonio (4 elettroni di valenza) e quattro atomi di fluoro (ognuno con 7 elettroni di valenza).. C.. Esempio.. : F... per scrivere la struttura di Lewis per il composto CF :.. F:.. :.. F: C.. Ċ :.. F: :.. F: La regola dell ottetto è soddisfatta sia per il carbonio che per il fluoro.

34 Esempio Il legame covalente è generalmente rappresentato con una linea. Si può riscrivere.... :.. F:.. :.. F: C.. Ċ :.. F: :.. F: come.. : F:.... :.. F C.. F: :.. F:

35 Doppi Legami etripli Legami

36 Esempi Inorganici : O: : C : : O: : Ȯ. C Ȯ. : Diossido di carbonio : C : : : N: C N: Acido cianidrico

37 Esempi Organici.... : C : : C: Etilene C C : C : : : C: Acetilene C C