Registration Evaluation Authorisation CHemicals Master in REACH 10/06/2011 B Prof. Anna Aiello
2.2. Informazioni relative alla formula molecolare e strutturale di ogni sostanza 2.2.1. Formula molecolare e strutturale (compresa la notazione Smiles, se disponibile) 2.2.2. Informazioni sull'attività ottica e sul tipico rapporto degli (stereo) isomeri (se applicabili e appropriate) 2.2.3. Peso molecolare o intervallo di peso molecolare
I diversi elementi si combinano tra loro per dare un composto secondo rapporti definiti e costanti. Questo rapporto tra gli elementi è riassunto nella formula chimica. La formula chimica ha un significato diverso a seconda che i composti siano presenti o no sotto forma di molecole. Una molecola è un aggregato di atomi che esiste come unità individuale e distinta. La formula di un composto che esiste sotto forma di molecole si chiama formula molecolare. Essa indica il tipo ed il numero esatto degli atomi che sono presenti in ciascuna molecola del composto. I composti che non danno luogo a molecole distinte (es: composti ionici) sono indicati come unità formula. Essa indica il tipo degli atomi e il loro rapporto.
L unità di misura della massa è pari a 1/12 della massa dell isotopo 12 6 C Questa quantità si chiama unità di massa atomica (uma) La massa che compete a 1 uma è: 1 uma = 1.660540 x 10 27 kg = 1.660540 x 10-24 g La massa atomica del 12 6C è perciò 12.00000 uma.
La determinazione delle masse atomiche degli altri elementi: Misurando il rapporto tra la massa dell elemento e quella del 12 6 C (spettrometro di massa): massa 19 9 F = 1,5832 massa 12 6 C Il rapporto (adimensionale) viene moltiplicato per la massa del 12 6 C espressa in uma 1,5832 x 12,00000uma = 18,9984 uma massa del 19 9 F
Dati di massa atomica ottenuti dal sito ufficiale della IUPAC (INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY) Master in REACH 10/06/2011 B Prof. Anna Aiello
Il valore della massa atomica riportato per il carbonio e per tutti gli elementi che sono presenti in natura sotto forma di miscele isotopiche è un valore medio. La media ottenuta (riportata nella Tav. Periodica: Massa Atomica Relativa Media) è una media pesata che tiene conto delle diverse abbondanze percentuali dei vari isotopi. Nel caso del carbonio si ha: isotopo massa (uma) abb. frazionaria contributo 12 6 C 12.000000 x 0.98892 = 11.867 13 6 C 13.003354 x 0.01108 = 0.144 12.011 Pertanto, il valore riportato per la massa atomica relativa media del carbonio è 12.011. Simili considerazioni hanno permesso di stabilire la massa atomica relativa degli altri elementi.
In un composto, la somma delle masse atomiche in uma si chiama MASSA FORMULA (P.F.) Se il composto è molecolare la somma viene detta MASSA MOLECOLARE (P.M.)
La massa atomica del 12 6C è 12.00000 uma. Quanti atomi di 12 C sono presenti in un numero di grammi di carbonio pari alla sua massa atomica in uma, cioè in 12,00000 g esatti dell isotopo 12 C? 1C 12,00000 uma poiché 1uma=1,660540x10-24 g {12,00000x1,660540x10-24 g} : 1(C) = 12,00000 g : N(C) N(C) = 12,00000 g x1 / {12,00000x1,660540x10-24 g} Quindi avremo: N = 1 g / 1.660540 x10 24 g = 6.022137 x 10 23 Questo numero N viene chiamato numero di Avogadro Quindi, in 12 g esatti di 12 C c è un numero di Avogadro (N) di atomi ovvero UNA MOLE di 12 C
Una mole (simbolo: mol) è la quantità di sostanza pura che contiene tante particelle (atomi, molecole, o altre unità fondamentali) quanti sono gli atomi contenuti in 12 grammi esatti dell isotopo 12 del carbonio ( 12 C).
Le masse di tutti gli altri atomi sono misurate relativamente all atomo di 12 C. Abbiamo visto che il 19 F è circa 1,5832 volte più pesante di un atomo di 12 C. Qual è la massa di una mole di 19 F? 1mole di 12 C 12 g N atomi 1mole di 19 F? g N atomi [12 x 1,5832 g = 18,998 g] Poiché una mole di 12 C ha una massa esatta di 12 g e contiene 6.022137 x 10 23 atomi (N atomi) e poiché una mole di un certo atomo contiene sempre lo stesso numero (N) di particelle contenuto in una mole di un altro atomo, una mole di atomi di 19 F ha una massa in grammi 1,5832 volte 12g, cioè corrisponde a 18,998 g.
La massa in grammi di una mole di qualsiasi elemento o composto si chiama massa molare (MM). La massa molare ha la dimensione di g mol 1. NaCl (58,443g) 1 mole CaCO3 (100,086g) FeSO4.7H2O (278,010g) 1 mole 1 mole Master in REACH Na2O2 (77,978g) 1 mole 10/06/2011 Prof. Anna Aiello
CONVERSIONE TRA MASSE E MOLI DI UNA SOSTANZA La quantità chimica di una sostanza viene espressa con il numero delle moli n numero delle moli n (mol) = massa del campione (g) MM della sostanza (g/mol) La formula di un composto verrà impiegata anche per indicare una quantità del composto pari ad una mole. Così, con la scrittura H 2 SO 4 si indica una quantità del composto pari ad una mole (98,077 g). In questa quantità sono contenute 2 moli di atomi di H (2x1,0079), 1 mole di atomi di S (32.065) e 4 moli di atomi di O (4x15,999).
La formula di struttura di una molecola è un tipo di formula chimica che indica sia la natura degli atomi che compongono la molecola stessa, sia l'indicazione di come essi stessi sono legati tra loro, sia la disposizione spaziale degli stessi. È in effetti il miglior modo di rappresentare, su una superficie piana, la struttura atomica di una molecola.
Classificazione dei legami chimici legame ionico legame covalente legame metallico legami deboli
Il legame ionico Atomi che hanno bassa energia di ionizzazione, possono dare facilmente cationi per perdita di elettroni, mentre atomi con alta affinità elettronica possono dare anioni. L energia di ionizzazione di un atomo (EI1) è la minima energia necessaria per strappare un elettrone dall atomo neutro in fase gassosa X(g) X+(g) + e- E = EI1 Per convenzione E è positiva quando occorre fornire energia per fare avvenire il processo. L affinità elettronica di un atomo (Ea.e.) è l energia sviluppata quando un atomo in fase gassosa acquista un elettrone Master in REACH 10/06/2011 B Prof. Anna Aiello
Gli elementi con valori molto negativi di affinità elettronica acquistano facilmente elettroni
Il tipo di legame che si forma tra una coppia di atomi è determinato dalla capacità di ciascun atomo ad attrarre densità elettronica dell altro atomo o a cedere densità elettronica all altro atomo. Quando un atomo è coinvolto in un legame chimico, la tendenza ad attrarre gli elettroni del partner è misurata in termini di elettronegatività, che è in relazione con l energia di ionizzazione e con l affinità elettronica.
Valori di elettronegatività (scala di Pauling) di alcuni elementi Per i gas nobili ( (EI alta; EA ~zero) l elettronegativit l elettronegatività non è valutata.
Requisiti per la formazione del legame ionico M M n+ + n e - X + n e - X n- M bassa energia di ionizzazione X elevata affinità elettronica Elettronegatività (M,X) (M,X) > 1,7 LEGAME IONICO
Il legame ionico Tra atomi con bassa energia di ionizzazione che si trasformano in cationi e atomi con alta affinità elettronica che si trasformano in anioni si instaura una attrazione di natura elettrostatica: questa interazione si chiama legame ionico. Gli elementi che si trovano intorno all angolo alto a destra della TP mostrano alte energie di ionizzazione ed affinità elettronica (a parte i gas nobili). Questi elementi acquistano facilmente elettroni, mentre cedono con difficoltà quelli che hanno: agiscono come accettori di elettroni e quindi sono ELETTRONEGATIVI. Gli elementi che si trovano intorno all angolo in basso a sinistra della TP hanno energie di ionizzazione ed affinità elettroniche basse. Questi elementi cedono facilmente elettroni: agiscono come donatori di elettroni e sono ELETTROPOSITIVI.
La scoperta alla fine del secolo scorso dei gas nobili, elementi tanto stabili da rifiutare il legame con altri elementi ed anche con atomi uguali, fu alla base degli studi di G.N. Lewis che formulò il primo modello di legame chimico basato sulla Regola dell ottetto. Il modello di Lewis assume che tutti gli elementi, nei loro composti, tendono a raggiungere la configurazione stabile dei gas nobili. regola dell ottetto poiché le configurazioni Questa affermazione è nota come re elettroniche dei gas nobili sono caratterizzate da avere 8e - (ottetto di valenza) nei loro gusci più esterni (fatta eccezione per l He che ha 2e - ). L H tende a raggiungere la configurazione stabile del livello 1, ovvero quella dell He.
MODELLO di LEWIS del legame chimico Gli elementi si combinano tra loro mediante legami chimici cui sono interessati solo gli elettroni di valenza (deducibili dal numero atomico, ovvero dal gruppo della Tav. Periodica cui appartiene l elemento). Ogni elettrone di valenza viene indicato come un punto intorno al simbolo chimico dell elemento; i primi quattro elettroni (quattro punti) vengono disegnati ai quattro lati. Ogni ulteriore elettrone viene abbinato ad uno dei precedenti. Nel caso degli ioni si aggiungono o si tolgono punti a seconda della carica dello ione che va indicata come apice.
Il legame ionico Na(g) Na + + e - Cl(g) + e - Cl - energia necessaria = 494kJ /mol energia liberata = -349 kj/mol La variazione netta di energia è = +145 kj/mol Possiamo concludere che un gas di ioni sodio e di ioni cloruro molto distanti tra loro possiede più energia di un gas di atomi di sodio e di cloro ugualmente distanti. Allora quale è l incentivo a formare NaCl? Quando gli ioni sodio e cloruro si uniscono a formare il solido cristallino l ATTRAZIONE l ELETTROSTATICA reciproca METTE IN LIBERTA una grande quantità di energia Na + (g) (g) + Cl - (g) NaCl (s) (g) energia liberata = -787 kj/mol (s) (s) Di conseguenza la variazione netta di energia netta è (145-787) kj/mol = -642 kj/mol Un enorme decremento di energia!
Le forze elettrostatiche seguono la legge di Coulomb (cariche puntiformi), che esprime la forza di interazione tra due corpi carichi: k = costante (che dipende anche dalle unità usate) Z a, Z b = cariche (con segno) dei due ioni che interagiscono r ab = distanza tra i due nuclei Poiché queste forze, attorno ad uno ione, hanno simmetria sferica (l'azione della forza si esercita in modo perfettamente uguale in tutte le direzioni) il legame ionico non è direzionale
Il numero di elettroni persi o acquistati si chiama valenza ionica e non può mai essere superiore a 3. N.B. Non bisogna confonderlo perciò con lo stato di ossidazione, che è formale, non reale (nel calcolo dello stato di ossidazione si "suppone" che tutti gli elettroni corrispondenti passino all'atomo più all'atomo pi ù bensìì di un elettronegativo, ma non si tratta di un processo reale, bens artificio utile nei calcoli). Master in REACH 10/06/2011 B Prof. Anna Aiello
Na [Ne]3s 1 Cl [Ne]3s 2 3p 5 Na + Cl - [Ne] [Ne]3s 2 3p 6 = [Ar] Con la simbologia di Lewis Na Cl Na + Cl - [ ]
Nella formazione di ioni, non sempre viene raggiunta la configurazione di un gas nobile (per esempio i metalli di transizione ne sono troppo lontani), ma si raggiunge, comunque, una situazione di massima stabilità. Zn Z= 30 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 Zn Zn 2+ Z= 28 2+ Z= 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 Co 2 + Z= 25 Co Z= 27 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 7 Co 3+ Z= 24 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6
Anioni e cationi possono dare luogo a strutture complesse, costituite da più atomi. Per esempio: Anioni poliatomici: SO 4 2-, NO 3-, N 3-, SiO 4 4- Cationi poliatomici: NH 4+, Hg 2 2+
IL LEGAME COVALENTE Consideriamo un sistema costituito da due atomi che hanno tra loro differenza di elettronegatività Elettronegatività = 0 uguale a zero: Elettronegativit oppure compresa tra : 0 < Elettronegativit Elettronegatività 1,7 Elettronegativit
La molecola di idrogeno H 2 2
Elettronegativit Elettronegatività < 1,7 LEGAME COVALENTE POLARE Quando due atomi diversi si uniscono a formare un legame covalente, può accadere che un atomo attragga i due elettroni con una intensità maggiore dell altro. L effetto di una diversa attrazione per gli elettroni di legame dà come risultato una distribuzione sbilanciata della densità elettronica. Sull atomo a maggiore attrazione elettronica (più elettronegativo) si stabilisce una parziale carica negativa (δ - ), mentre sull altro atomo si determina una lacuna di carica ovvero una parziale carica positiva (δ + ). Tale legame viene definito: Legame covalente polare
Quando il baricentro delle cariche positive non coincide con il baricentro delle cariche negative µ 0 e il legame è covalente polare.
Parametri della struttura molecolare Ordine di legame Energia di legame Lunghezza di legame Angolo di legame Nei composti covalenti il numero di legami (due elettroni per ogni legame) formati tra due atomi si chiama ordine di legame ( OL). (OL legame covalente singolo (semplice, OL=1): condivisione di una coppia di elettroni Energia (o forza) di legame H 2(g) 2 H (g) E D (H-H) = 436 kj/mol HF (g) H (g) + F (g) E D (H-F) = 569 kj/mol Energia di legame: corrisponde all energia di dissociazione del legame
La lunghezza del legame vale approssimativamente la somma dei raggi covalenti degli atomi interessati nel legame. Lunghezza di legame Angolo di legame angolo interno definito dai segmenti congiungenti il nucleo dell atomo centrale con quello di altri due atomi ad esso legati