Interazioni deboli. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

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Battistina Abbate
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1 Interazioni deboli 1 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

2 Legami deboli o interazioni deboli La forza di un legame chimico viene stabilita in base alla energia del legame (corrispondente all'energia necessaria per spezzarlo) 2

3 Confronti fra le energie dei vari legami 3

4 I legami intermolecolari Tra le molecole di una qualsiasi sostanza esistono forze elettrostatiche attrattive dette forze di Van der Waals. Queste forze generano legami intermolecolari, molto più deboli dei legami covalenti e ionici, ma responsabili di molte delle proprietà fisiche delle sostanze, tra cui lo stato di aggregazione, i passaggi di stato, il maggiore o minore punto di ebollizione e la possibilità di sciogliersi in un solvente o in un altro. 4

5 3 tipi di interazioni tra le molecole Legami idrogeno (o ponte idrogeno) Legami generati da forze dipolo-dipolo Legami generati da forze di dispersione o forze di London. 5

6 Legami idrogeno H2O HF: acido fluoridrico NH3: ammoniaca 6

7 Tipi di interazioni deboli Le interazioni deboli, essenzialmente di natura elettrostatica, si realizzano fra le molecole o specie chimiche (già costituite con legami di tipo covalente (forze intermolecolari), oppure fra parti diverse di una singola molecola generalmente piuttosto grande. Le aree interessate alle forze di attrazione devono essere, tendenzialmente, cariche di segno opposto. Le molecole si possono attrarre vicendevolmente solo a distanza ravvicinata. Tali forze attrattive, dette genericamente forze di van der Waals sono meno intense di quelle che si realizzano nei legami covalenti e, già a temperature relativamente basse, queste deboli interazioni di legame persistono per tempi molto brevi. Per quanto le forze intermolecolari siano dotate di scarsa energia, la loro esistenza è fondamentale nel determinare gli stati di aggregazione delle sostanze e sono anche responsabili di altre notevoli proprietà dei composti molecolari, come ad esempio: la loro struttura cristallina il punto di fusione il punto di ebollizione i calori di fusione e di vaporizzazione la tensione superficiale 7 la densità

8 Tipi di interazioni deboli Le forze intermolecolari, in aggiunta a quanto detto, giocano un ruolo importante nello stabilizzare le forme tridimensionali delle macromolecole biologiche (enzimi e proteine). Lo "shape" di tali macromolecole è spesso indispensabile per una corretta esplicazione dell'attività fisiologica. Le forze intermolecolari possono essere permanenti oppure transitorie. Le prime (permanenti) sono dovute all interazione di specie chimiche contenenti gruppi permanentemente poveri di elettroni e altrettante zone elettron-ricche (molecole dipolari): in questa categoria rientra il legame idrogeno. Le seconde (transitorie) si presentano grazie ai moti termici in grado di provocare rapide oscillazioni delle nuvole elettroniche che determinano la formazione di dipoli momentanei. Possibili disposizioni nell'interazione attrattiva tra dipoli permanenti 8

Tipi di interazioni deboli Interazioni DIPOLO - DIPOLO Tutte le molecole tra le quali esiste questo tipo di interazione sono polari (Dipoli Permanenti) e tendono ad orientarsi disponendosi

9 Tipi di interazioni deboli Interazioni DIPOLO - DIPOLO Tutte le molecole tra le quali esiste questo tipo di interazione sono polari (Dipoli Permanenti) e tendono ad orientarsi disponendosi testa-codacon il risultato di una forza attrattiva (esempi: H 2 O H 2 S HCl SO 2 ). Allo stato gassoso, quando le molecole si avvicinano a sufficienza, l'interazione dipolare tende a manifestarsi, ma spesso non è in grado di legare permanentemente le molecole perchè queste sono dotate, a quella temperatura, di una quantità di moto sufficiente a prevenire la formazione di agglomerati stabili (condensa). Interazioni DIPOLO - DIPOLO INDOTTO Si instaurano tra molecole polari ed altre apolari ma che risultano facilmente polarizzabili per induzione da parte delle molecole polari. L'intensità del legame dipende dalla polarizzabilità delle molecole (vedi ultimo paragrafo). Interazioni DIPOLO ISTANTANEO - DIPOLO ISTANTANEO (forze di dispersione di London) Si instaturano tra molecole apolari. Le forze di legame sono dovute alla distorsione momentanea della nuvola elettronica, che si propaga per induzione alle molecole circostanti. Nella figura a destra vengono illustrati, molto sommariamente, tre brevi istanti in successione per raffigurare la formazione del dipolo istantaneo - dipolo istantaneo indotto nel caso di una molecola biatomica omonucleare. La formazione dei dipoli e di quelli indotti persiste per tempi dell'ordine di o secondi ma sufficiente per produrre una netta forza di natura attrattiva. 9

10 Tipi di interazioni deboli Come già detto per le forze dipolo-dipolo indotto, anche l'entità di questa interazione dipende dalla polarizzabilità delle molecole. Il dato semiquantitativo indica che la polarizzabilità, e quindi l'intensità dell'interazione, cresce nell'ordine He H 2 F 2 Cl 2 Br 2 I 2. Alle molecole molto simmetriche e rigide (dette "hard"), come quelle monoatomiche dei gas nobili, é associata una energia di attrazione elettrostatica, dovuta alle forze di dispersione di London, di appena pochi decimi di kilocaloria per mole, con il risultato di una interazione veramente debole (a temperatura ambiente sono nello stato aeriforme). Se raffreddati a sufficienza, i gas nobili diventano liquidi: la loro temperatura di ebollizione aumenta scendendo lungo il gruppo perchè in tal senso aumentano le forze di dispersione di London. Nel caso degli alogeni, la variazione graduale del loro stato di aggregazione, da uno stato meno condensato ad uno più condensato, è in accordo con l'incremento dei valori di polarizzabilità che si hanno scendendo lungo il gruppo. 10

11 Nelle condizioni ambientali di temperatura e pressione (circa 18 C e 1 atm): a) il cloro Cl2 è un gas, b) il bromo Br2 è un liquido, c) lo iodio I2 è un solido. 11

12 Polarizzabilità La polarizzabilità di un atomo o di una molecola si riferisce principalmente alla facilità con cui gli elettroni possono essere spostati dalla loro posizione media. Gli elettroni interessati sono quelli di valenza, meno fortemente legati ai nuclei. Se si considerano gli elementi di un gruppo di non metalli, la polarizzabilità aumenta scendendo lungo il gruppo a causa della maggiore distanza dal nucleo e all'opera di schermo degli elettroni nei gusci più interni. Questo concetto si estende, nella maggioranza dei casi, anche alle dimensioni delle molecole, nel senso che le molecole di maggiori dimensioni presentano maggiore polarizzabilità 12

13 Gli stati di aggregazione della materia 13

14 I cambiamenti di stato della materia 14

15 La solubilizzazione delle sostanze affinché due sostanze possano formare un sistema monofasico, cioè una soluzione, è necessario che esse abbiano dei requisiti particolari, ovvero che ci sia una certa affi nità ; sinteticamente si dice che il simile scioglie il simile. 15

16 La solubilizzazione delle sostanze In pratica, la solubilizzazione è dovuta alla formazione, tra solvente e soluto, di legami idrogeno o interazioni dipolo-dipolo o interazioni dovute a forze di London, come illustrato di seguito 16

17 La solubilizzazione delle sostanze Composti contenenti gruppi OH o NH formazione di ponti idrogeno Due composti polari si sciolgono formando legami dipolo-dipolo (es. acqua acetone) Due composti non polari, come idrocarburi (metano, benzene, cicloesano, ecc.), non si sciolgono in acqua né in altri solventi polari, ma possono sciogliersi l uno nell altro o in altri composti apolari mediante legami intermolecolari dovuti a forze di London. 17

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