I legami chimici. (parte seconda) Lezioni d'autore

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1 I legami chimici (parte seconda) Lezioni d'autore

2 Introduzione (I) La teoria del legame di Lewis considera gli elettroni di valenza degli atomi che formano legami, ma prescinde totalmente dal fatto che tali elettroni sono descritti da orbitali atomici. Inoltre essa ha uno scarso contenuto quantitativo, in quanto non dà indicazioni sulla lunghezza di legame o informazioni sulla forza dei legami.

3 Introduzione (II) La comprensione reale del legame chimico è impossibile in termini di meccanica classica perché il comportamento degli elettroni è determinato dalle leggi della meccanica quantistica, che si è sviluppata nella seconda età del degli anni 20. Esistono due principali teorie basate sulla meccanica quantistica: la teoria del legame di valenza (VB) e la teoria degli orbitali molecolari (MO).

4 Introduzione (III) Queste due teorie condividono molte assunzioni ma differiscono in molti aspetti: i legami avvengono a causa della condivisione degli elettroni tra atomi l attrazione degli elettroni di legame ai nuclei degli atomi legati determina una diminuzione dell energia e quindi la formazione del legame si possono formare due tipi di legame (sigma e pi-greco)

5 Introduzione (IV) Le due teorie differiscono nei seguenti aspetti: nel modo in cui esse descrivono la localizzazione degli elettroni negli orbitali di legame come spiegano l energia degli elettroni e la presenza degli elettroni non accoppiati nelle molecole. Oggi il metodo MO è quello più popolare ed è usato nella maggioranza dei calcoli perché più semplice da un punto di vista computazionale del metodo VB.

6 La teoria del legame di valenza, VB (I) La teoria del legame di valenza (Valence Bond Theory) fu proposta da W. Heitler e F. London e successivamente sviluppata da L. Pauling. Essa integra il modello di Lewis nell'ambito della meccanica quantistica, mettendo in relazione il legame fra due atomi con gli orbitali atomici che descrivono gli elettroni implicati nel legame stesso

7 La teoria del legame di valenza, VB (II) Secondo la teoria VB un legame tra due atomi si forma se sono verificate le seguenti condizioni: un orbitale di un atomo ed un orbitale dell altro atomo si sovrappongono, cioè parte delle densità elettroniche dei due orbitali occupano la stessa regione dello spazio; il numero complessivo di elettroni contenuti nei due orbitali sovrapposti non deve essere maggiore di due. La forza del legame dipende quindi dal grado di sovrapposizione, maggiore è la sovrapposizione degli orbitali e più forte è il legame.

8 La teoria del legame di valenza, VB (III) Un esempio: la formazione del legame H-H in H2. La funzione di distribuzione radiale della densità elettronica, cioè la probabilità del nuovo orbitale che si è formato, mostra un massimo tra i due nuclei

9 La teoria dell orbitale molecolare, MO (I) La teoria dell orbitale molecolare (MO - Molecular Orbitals), venne sviluppata nel 1930 da Friedrich Hund e Robert Mulliken. E' una teoria quantomeccanica del legame covalente che è in grado di spiegare le proprietà magnetiche di molte molecole semplici, a differenza della teoria VB che non era in grado di farlo

10 La teoria dell orbitale molecolare, MO (II) L'idea fondamentale della teoria MO è che gli elettroni di legame in una molecola sono descritti da orbitali molecolari non localizzati fra coppie di atomi, ma da orbitali molecolari che si estendono attorno ai nuclei dell'intera molecola.

11 La teoria dell orbitale molecolare, MO (III) Le superfici limite degli orbitali molecolari abbracciano tutti i nuclei della molecola, a differenza di quelle degli orbitali atomici che sono riferite ad un solo nucleo. Quindi tutti gli elettroni della molecola risentono dell attrazione di tutti i nuclei e ciascun elettrone contribuisce a tenere insieme tutta la molecola.

12 RISORSE WEB VIDEO 1 Valence Bond Theory (Animazione in inglese) VIDEO 2 Orbital Molecular Theory (Animazione in inglese)

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14 I legami chimici (parte seconda) Lezioni d'autore

15 Introduzione (I) La teoria del legame di Lewis considera gli elettroni di valenza degli atomi che formano legami, ma prescinde totalmente dal fatto che tali elettroni sono descritti da orbitali atomici. Inoltre essa ha uno scarso contenuto quantitativo, in quanto non dà indicazioni sulla lunghezza di legame o informazioni sulla forza dei legami.

16 Introduzione (II) La comprensione reale del legame chimico è impossibile in termini di meccanica classica perché il comportamento degli elettroni è determinato dalle leggi della meccanica quantistica, che si è sviluppata nella seconda età del degli anni 20. Esistono due principali teorie basate sulla meccanica quantistica: la teoria del legame di valenza (VB) e la teoria degli orbitali molecolari (MO).

17 Introduzione (III) Queste due teorie condividono molte assunzioni ma differiscono in molti aspetti: i legami avvengono a causa della condivisione degli elettroni tra atomi l attrazione degli elettroni di legame ai nuclei degli atomi legati determina una diminuzione dell energia e quindi la formazione del legame si possono formare due tipi di legame (sigma e pi-greco)

18 Introduzione (IV) Le due teorie differiscono nei seguenti aspetti: nel modo in cui esse descrivono la localizzazione degli elettroni negli orbitali di legame come spiegano l energia degli elettroni e la presenza degli elettroni non accoppiati nelle molecole. Oggi il metodo MO è quello più popolare ed è usato nella maggioranza dei calcoli perché più semplice da un punto di vista computazionale del metodo VB.

19 La teoria del legame di valenza, VB (I) La teoria del legame di valenza (Valence Bond Theory) fu proposta da W. Heitler e F. London e successivamente sviluppata da L. Pauling. Essa integra il modello di Lewis nell'ambito della meccanica quantistica, mettendo in relazione il legame fra due atomi con gli orbitali atomici che descrivono gli elettroni implicati nel legame stesso

20 La teoria del legame di valenza, VB (II) Secondo la teoria VB un legame tra due atomi si forma se sono verificate le seguenti condizioni: un orbitale di un atomo ed un orbitale dell altro atomo si sovrappongono, cioè parte delle densità elettroniche dei due orbitali occupano la stessa regione dello spazio; il numero complessivo di elettroni contenuti nei due orbitali sovrapposti non deve essere maggiore di due. La forza del legame dipende quindi dal grado di sovrapposizione, maggiore è la sovrapposizione degli orbitali e più forte è il legame.

21 La teoria del legame di valenza, VB (III) Un esempio: la formazione del legame H-H in H2. La funzione di distribuzione radiale della densità elettronica, cioè la probabilità del nuovo orbitale che si è formato, mostra un massimo tra i due nuclei

22 La teoria dell orbitale molecolare, MO (I) La teoria dell orbitale molecolare (MO - Molecular Orbitals), venne sviluppata nel 1930 da Friedrich Hund e Robert Mulliken. E' una teoria quantomeccanica del legame covalente che è in grado di spiegare le proprietà magnetiche di molte molecole semplici, a differenza della teoria VB che non era in grado di farlo

23 La teoria dell orbitale molecolare, MO (II) L'idea fondamentale della teoria MO è che gli elettroni di legame in una molecola sono descritti da orbitali molecolari non localizzati fra coppie di atomi, ma da orbitali molecolari che si estendono attorno ai nuclei dell'intera molecola.

24 La teoria dell orbitale molecolare, MO (III) Le superfici limite degli orbitali molecolari abbracciano tutti i nuclei della molecola, a differenza di quelle degli orbitali atomici che sono riferite ad un solo nucleo. Quindi tutti gli elettroni della molecola risentono dell attrazione di tutti i nuclei e ciascun elettrone contribuisce a tenere insieme tutta la molecola.

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