Il legame chimico. Lezioni 17-20

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1 Il legame chimico Lezioni

2 Il legame chimico Le forze attrattive di natura elettrica che tengono uniti gli atomi in molecole o in composti ionici sono dette legami chimici. Legami atomici: covalente omopolare, eteropolare, dativo, ad elettroni delocalizzati Legami elettrostatici: ionico, dipolare, idrogeno. Legame metallico 2

3 GLI ELETTRONI DI VALENZA Gli elettroni più esterni di un atomo sono chiamati di valenza, mentre quelli più interni sono chiamati elettroni del nocciolo. ELEMENTO ELETTRONI DEL NOCCIOLO ELETTRONI DI VALENZA GRUPPO NEL SISTEMA PERIODICO Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1A Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 2p 2 4A Ti 1s 2 2s 2 2p 6 4s 2 3d 2 4B 3s 2 3p 6 As 1s 2 2s 2 2p 6 4s 2 4p 3 5A 3s 2 3p 6 3d 10 Un modo per rappresentare gli elettroni di valenza è quello di utilizzare i simboli di Lewis nei quali gli elettroni vengono rappresentati con dei puntini Li Be : C : O : : F : : Ne : Tutti gli elementi dei gruppi principali tendono a raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino. Poiché tutti i gas nobili hanno otto elettroni nel guscio di 3 valenza, questa osservazione è chiamata REGOLA DELL OTTETTO

4 Es: Fra due atomi di idrogeno agiscono forze repulsive ed attrative a) repulsione fra elettroni Legame chimico (1) Due atomi, combinando due dei propri orbitali atomici, contraggono un legame chimico b) repulsione fra nuclei c) attrazione fra protone ed elettrone di atomi diversi e - + a c b e - + 4

5 Il legame covalente A una certa distanza si instaura un equilibrio tra la forza di attrazione nuclei-elettroni e quella di repulsione nucleo-nucleo. A questo punto i due atomi raggiungono la stabilità e rimangono fortemente uniti: si è formato un legame chimico che prende il nome di legame covalente. Il legame covalente è la forza che unisce due atomi che hanno una coppia di elettroni in comune. 5

6 Legame covalente La formazione di legami covalenti rende più stabili i sistemi chimici. Perché tra due atomi si possa stabilire un legame di questo tipo, però, devono verificarsi tre condizioni: in entrambi gli orbitali coinvolti vi deve essere un elettrone spaiato; gli orbitali devono sovrapporsi e compenetrarsi parzialmente; gli elettroni di legame devono avere spin opposto. La nube elettronica è simmetrica rispetto ai due nuclei. La molecola che si forma continua a essere elettricamente neutra e non vi è nessuna differenza di carica elettrica, nessuna differente polarità. Questo tipo di legame covalente è detto omopolare. Il legame covalente omopolare si stabilisce tra due atomi uguali, o con uguale elettronegatività, che condividono due elettroni. 6

7 Energia (kj. mole -1 ) Legame chimico (2) I due atomi di idrogeno si pongono alla distanza di 74 pm per cui è minimo il valore di energia potenziale del sistema 74 pm 0 Energia del legame H-H (458.1 kj. mole -1 ) Distanza fra i nuclei -458,1 7

8 Il legame covalente Nel legame covalente gli atomi legati condividono elettroni nello spazio compreso tra i nuclei. Il legame ionico è impossibile: le elettronegatività degli atomi interagenti devono essere confrontabili. Due elettroni si appaiano per formare un legame e i loro spin devono essere appaiati. 8

9 Legame chimico (3) Nella molecola di idrogeno la distanza fra i due nuclei è minore della somma dei due raggi atomici 53 pm 74 pm 74 pm 53 pm orbitali atomici 1s orbitale molecolare s 9

10 LEGAME COVALENTE omopolare Molecola di H 2 H H H : H H H 1s 1 1s 1 10

11 Legame covalente sigma p + p singolo Molecola F 2 (o Cl 2, Br 2, I 2 ecc.) Cl Cl Cl : Cl Cl - Cl 11

12 LEGAME COVALENTE Un legame covalente viene definito legame σ, se la nube elettronica avvolge omogeneamente la retta ideale che unisce i due nuclei. 12

13 Legami multipli Un legame covalente viene definito legame π, se la sua nube elettronica si trova da parti opposte rispetto alla retta ideale che congiunge i due nuclei. 13

14 Legami multipli Un legame covalente viene definito legame σ, se la nube elettronica avvolge omogeneamente la retta ideale che unisce i due nuclei. Un legame covalente viene definito legame π, se la sua nube elettronica si trova da parti opposte rispetto alla retta ideale che congiunge i due nuclei. 14

15 Legame covalente omopolare (1) H 1s 3 Li 2s 4 Be 2s 2 3s Es: Cl 2 3p z 5 B 2s 2 p 6 C 2s 2 p 2 7 N 2s 2 p 3 8 O 2s 2 p 4 9 F 2s 2 p 5 2 He 1s 2 10 Ne 2s 2 p 6 11 Na 3s 12 Mg 3s 2 3p y 3p X 13 Al 3s 2 p 14 Si 3s 2 p 2 15 P 3s 2 p 3 16 S 3s 2 p 4 17 Cl 3s 2 p 5 18 Ar 3s 2 p 6 19 K 4s 20 Ca 4s 2 21 Sc 3d,4s 2 22 Ti 3d 2,4s 2 23 V 3d 3,4s 2 24 Cr 3d 5,4s 25 Mn 3d 5,4s 2 26 Fe 3d 6,4s 2 27 Co 3d 7,4s 2 28 Ni 3d 8,4s 2 29 Cu 3d 10,4s 30 Zn 3d 10,4s 2 31 Ga 4s 2 p 32 Ge 4s 2 p 2 33 As 4s 2 p 3 34 Se 4s 2 p 4 35 Br 4s 2 p 5 36 Kr 4s 2 p 6 37 Rb 5s 38 Sr 5s 2 39 Y 4d,5s 2 40 Zr 4d 2,5s 2 41 Nb 4d 3,5s 2 42 Mo 4d 5,5s 43 Tc 4d 5,5s 2 44 Ru 4d 6,5s 2 45 Rh 4d 7,5s 2 46 Pd 4d 8,5s 2 47 Ag 4d 10,5s 48 Cd 4d 10,5s 2 49 In 5s 2 p 50 Sn 5s 2 p 2 51 Sb 5s 2 p 3 52 Te 5s 2 p 4 53 I 5s 15 2 p 5 54 Xe 5s 2 p 6

16 Legame covalente omopolare (2) Cl + Cl Cl 2 z z x Orbitale s y y 16

17 1 H 1s Legame doppio omopolare Es: O 2 2 He 1s 2 3 Li 2s 4 Be 2s 2 5 B 2s 2 p 6 C 2s 2 p 2 7 N 2s 2 p 3 8 O 2s 2 p 4 9 F 2s 2 p 5 10 Ne 2s 2 p 6 11 Na 3s 12 Mg 3s 2 13 Al 3s 2 p 14 Si 3s 2 p 2 15 P 3s 2 p 3 16 S 3s 2 p 4 17 Cl 3s 2 p 5 18 Ar 3s 2 p 6 19 K 4s 20 Ca 4s 2 21 Sc 3d,4s 2 22 Ti 3d 2,4s 2 23 V 3d 3,4s 2 24 Cr 3d 5,4s 25 Mn 3d 5,4s 2 26 Fe 3d 6,4s 2 27 Co 3d 7,4s 2 28 Ni 3d 8,4s 2 29 Cu 3d 10,4s 30 Zn 3d 10,4s 2 31 Ga 4s 2 p 32 Ge 4s 2 p 2 33 As 4s 2 p 3 34 Se 4s 2 p 4 35 Br 4s 2 p 5 36 Kr 4s 2 p 6 37 Rb 5s 38 Sr 5s 2 39 Y 4d,5s 2 40 Zr 4d 2,5s 2 41 Nb 4d 3,5s 2 42 Mo 4d 5,5s 43 Tc 4d 5,5s 2 44 Ru 4d 6,5s 2 45 Rh 4d 7,5s 2 46 Pd 4d 8,5s 2 47 Ag 4d 10,5s 48 Cd 4d 10,5s 2 49 In 5s 2 p 50 Sn 5s 2 p 2 51 Sb 5s 2 p 3 52 Te 5s 2 p 4 53 I 5s 2 p Xe 5s 2 p 6

18 Legame doppio omopolare (2) O + O O 2 z z x y y Orbitale s Orbitale p 18

19 1 H 1s Legame triplo omopolare (1) Es: N 2 2 He 1s 2 3 Li 2s 4 Be 2s 2 5 B 2s 2 p 6 C 2s 2 p 2 7 N 2s 2 p 3 8 O 2s 2 p 4 9 F 2s 2 p 5 10 Ne 2s 2 p 6 11 Na 3s 12 Mg 3s 2 13 Al 3s 2 p 14 Si 3s 2 p 2 15 P 3s 2 p 3 16 S 3s 2 p 4 17 Cl 3s 2 p 5 18 Ar 3s 2 p 6 19 K 4s 20 Ca 4s 2 21 Sc 3d,4s 2 22 Ti 3d 2,4s 2 23 V 3d 3,4s 2 24 Cr 3d 5,4s 25 Mn 3d 5,4s 2 26 Fe 3d 6,4s 2 27 Co 3d 7,4s 2 28 Ni 3d 8,4s 2 29 Cu 3d 10,4s 30 Zn 3d 10,4s 2 31 Ga 4s 2 p 32 Ge 4s 2 p 2 33 As 4s 2 p 3 34 Se 4s 2 p 4 35 Br 4s 2 p 5 36 Kr 4s 2 p 6 37 Rb 5s 38 Sr 5s 2 39 Y 4d,5s 2 40 Zr 4d 2,5s 2 41 Nb 4d 3,5s 2 42 Mo 4d 5,5s 43 Tc 4d 5,5s 2 44 Ru 4d 6,5s 2 45 Rh 4d 7,5s 2 46 Pd 4d 8,5s 2 47 Ag 4d 10,5s 48 Cd 4d 10,5s 2 49 In 5s 2 p 50 Sn 5s 2 p 2 51 Sb 5s 2 p 3 52 Te 5s 2 p 4 53 I 5s 2 p Xe 5s 2 p 6

20 Legame triplo omopolare (2) N + N N 2 z z Orbitale p x y y Orbitale s Orbitale p 20

21 Legame triplo omopolare (3) N 2 x x orbitale s z z z z orbitale p orbitale p y y y y 21

22 Legame covalente polare (1) H 1s 2 He 1s 2 3 Li 2s 4 Be 2s 2 5 B 2s 2 p 6 C 2s 2 p 2 7 N 2s 2 p 3 8 O 2s 2 p 4 9 F 2s 2 p 5 10 Ne 2s 2 p 6 11 Na 3s 12 Mg 3s 2 13 Al 3s 2 p 14 Si 3s 2 p 2 15 P 3s 2 p 3 16 S 3s 2 p 4 17 Cl 3s 2 p 5 18 Ar 3s 2 p 6 19 K 4s 20 Ca 4s 2 21 Sc 3d,4s 2 22 Ti 3d 2,4s 2 23 V 3d 3,4s 2 24 Cr 3d 5,4s 25 Mn 3d 5,4s 2 26 Fe 3d 6,4s 2 27 Co 3d 7,4s 2 28 Ni 3d 8,4s 2 29 Cu 3d 10,4s 30 Zn 3d 10,4s 2 31 Ga 4s 2 p 32 Ge 4s 2 p 2 33 As 4s 2 p 3 34 Se 4s 2 p 4 35 Br 4s 2 p 5 36 Kr 4s 2 p 6 37 Rb 5s 38 Sr 5s 2 39 Y 4d,5s 2 40 Zr 4d 2,5s 2 41 Nb 4d 3,5s 2 42 Mo 4d 5,5s 43 Tc 4d 5,5s 2 44 Ru 4d 6,5s 2 45 Rh 4d 7,5s 2 46 Pd 4d 8,5s 2 47 Ag 4d 10,5s 48 Cd 4d 10,5s 2 49 In 5s 2 p 50 Sn 5s 2 p 2 51 Sb 5s 2 p 3 52 Te 5s 2 p 4 53 I 5s 2 p Xe 5s 2 p 6

23 Legame covalente polare (2) Es: Cl + H HCl z z x x y y 23

24 Legame covalente polare (3) z d- x Cl d+ H y Nell'orbitale s dell'hcl la densità elettronica è più elevata vicino al nucleo dell'atomo di cloro che a quello dell'atomo di idrogeno perché il cloro è più elettronegativo (En=3.0) dell'idrogeno (En=2.1) 24

25 Legami eteropolari Il legame covalente che si stabilisce tra due atomi con differente elettronegatività è detto legame covalente eteropolare. 25

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27 Legami covalenti eteropolari Il legame covalente eteropolare è un legame fra due atomi di elementi diversi, caratterizzati da una carica parziale derivante dalla loro differenza di ELETTRONEGATIVITA Le cariche parziali generano un MOMENTO DIPOLARE 27

28 Legame covalente eteropolare La molecola HCl si comporta come un dipolo elettrico a seguito della parziale carica positiva sull atomi di H e della parziale carica negativa sul Cl. Questa situazione può essere considerata come il prodotto di risonanza di due strutture. 28

29 Il legame dativo Nel legame covalente dativo un atomo, che ha già raggiunto l ottetto, unisce un suo orbitale, in cui sono presenti due elettroni, con un orbitale non occupato da elettroni di un altro atomo. In altri termini il legame dativo si stabilisce tra un atomo con un doppietto e un atomo con un orbitale completamente vuoto. 29

30 Perché un atomo possa agire da datore nel legame dativo, deve avere un doppietto non impegnato in altri legami. Se un atomo ha due o tre doppietti non impegnati, può formare due o tre legami dativi. Un legame dativo viene indicato con una freccina, che parte dall atomo datore ed è diretta all altro atomo, l atomo accettore. 30

31 Legame ionico Se fra due atomi la differenza di elettronegatività è nulla oppure ha valori bassi o medi, tra di loro si può stabilire un legame covalente. Se la differenza di elettronegatività è più grande, si forma un legame chimico di tipo diverso: il legame ionico, detto anche legame salino. 31

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33 LEGAME IONICO Formazione del legame ionico: tra elementi gruppi 1, 2, 3 (in parte), metalli di transizione e gruppi 16 e 17. Proprietà dei composti ionici 1. Conducibilità elettrica molto bassa allo stato solido, molto alta allo stato fuso. 2. P.f. e P.e. molto alti. I legami ionici sono molto forti e onnidirezionali. 3. Sostanze molto dure e fragili. 4. Composti solubili in solventi polari ad alta costante dielettrica. 33

34 LEGAME IONICO Legge di Coulomb: F = k (n + )(n - )/d 2 Il legame ionico si ha quando uno degli elementi può perdere uno, due (raramente tre) elettroni senza eccessivo assorbimento di energia, mentre l altro è in grado di accettare gli stessi elettroni senza eccessivo assorbimento di energia. 34

35 L energia di ionizzazione per formare il catione e l affinità elettronica per formare l anione devono esser favorevoli dal punto di vista energetico Energia reticolare: è l energia ceduta quando gli ioni si avvicinano dalla separazione infinita per formare un cristallo M + (g) + X - (g) MX (s) 35

36 Il legame ionico comporta il trasferimento totale di uno o più elettroni tra due atomi che hanno alta differenza di elettronegatività. Lo stabilirsi di legami ionici non determina la formazione di molecole, ma la produzione di composti ionici. 36

37 Il legame metallico Per la facilità con cui perdono elettroni, i metalli possono essere considerati come cationi, cioè ioni positivi, che tengono debolmente legati gli elettroni degli orbitali più esterni. Un metallo allo stato solido è costituito da un insieme di cationi disposti con regolarità e circondati da elettroni. Ognuno degli elettroni esterni è attirato contemporaneamente da tutti i cationi circostanti Un corpo metallico è costituito da un aggregato geometricamente ordinato di cationi immersi in una nube elettronica che si distribuisce in tutto il corpo. 37