2018 Il Legame Chimico e la Struttura Molecolare

LEGAME CHIMICO In che modo gli atomi in una molecola o uno ione poliatomico

Tipi di Legame Chimico 3 • Esistono 2 tipi estremi di connessione o legame

Legame Ionico © 2009 Brooks/Cole - Cengage 4

Legame Covalente Il legame nasce dalla reciproca attrazione di 2 nuclei per gli stessi

Nei legami chimici sono coinvolti gli elettroni di valenza ENERGIA DI LEGAME 6

Elettroni di Valenza Gli elettroni sono divisi fra elettroni nocciolo (core) e di valenza

Distribuzione degli Elettroni nelle Molecole G. N. Lewis 1875 - 1946 • • H

Regola dell’ottetto La tendenza delle molecole e degli ioni poliatomici ad avere strutture in

Il Legame Ionico Li + F 1 s 22 s 1 1 s 22

11 In un legame covalente due o più elettroni sono condivisi da due atomi.

Struttura di Lewis per l’acqua H + O + H single covalent bonds H

13 Strutture di risonanza. Una molecola viene rappresentata con più strutture di Lewis equivalenti.

Eccezioni alla Regola dell’Ottetto Be. H 2 BF 3 B – 3 e 3

Formazione del Legame Un legame può formarsi dalla sovrapposizione lungo l’asse di legame di

GEOMETRIA MOLECOLARE Teoria VSEPR Valence Shell Electron Pair Repulsion. La disposizione geometrica dei legami

Determinazione della Struttura con la VSEPR Ammoniaca, NH 3 1. Disegnare la struttura elettronica

Determinazione della Struttura con la VSEPR Ammoniaca, NH 3 La geometria delle coppie di

Determinazione della Struttura con la VSEPR 21 Acqua, H 2 O 1. Disegnare la

22 Geometrie molecolari nel metano, ammoniaca e acqua

Elettronegatività • Elettronegatività: La capacità di un atomo in una molecola di attrarre gli

La Polarità delle Molecole Quando tra due atomi impegnati in un legame esiste una

Legame covalente polare o legame polare, per effetto di una differente elettronegatività la densità

26 Percentuale di Carattere Ionico Differenza Tipo di legame 0 Covalente 2 Ionico 0

Polarità Molecolare Le molecole saranno polari se a) i legami sono polari e b)la

Polare o Nonpolare? Confronta CO 2 ed H 2 O. Quale è polare? 28

30 Proprietà del legame L’ordine di legame: n° di coppie di elettroni di legame

NO L’ordine di un legame è proporzionale ad altre due importanti proprietà del legame:

Lunghezza di legame Legame triplo < Legame doppio < Legame semplice 32

33 Le reazioni chimiche avvengono mediante rottura e riformazione di legami chimici. Il calore

Energia di legame energia necessaria per rompere un legame chimico • LEGAME H—H C—C

Come utilizzare le entalpie di dissociazione di legame Determinare l’energia della reazione 2 H—O—O—H

esempio 2 H—O—O—H O=O + 2 H—O—H Energia richiesta per rompere i legami nei

37 59 pg. 399 O 2 (g) + 2 H 2(g) --> 2 H

O 2 (g) + 2 H 2(g) --> 2 H 2 O(g) Valutare la

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2018 Il Legame Chimico e la Struttura Molecolare 1

LEGAME CHIMICO In che modo gli atomi in una molecola o uno ione poliatomico interagiscono? Perchè alcune molecole sono planari ed altre non lo sono? Possiamo predirne la struttura? 2

Tipi di Legame Chimico 3 • Esistono 2 tipi estremi di connessione o legame tra gli atomi: • Legame ionico— trasferimento completo di 1 o più elettroni da un atomo ad un altro • Legame covalente—alcuni elettroni di valenza sono condivisi fra due atomi • La maggior parte dei legami sono intermedi tra questi estremi.

Legame Covalente Il legame nasce dalla reciproca attrazione di 2 nuclei per gli stessi elettroni. Ne deriva una condivisione di elettroni. Il legame è la risultante tra le forze attrattive e repulsive coinvolte. 5

Nei legami chimici sono coinvolti gli elettroni di valenza ENERGIA DI LEGAME 6

Elettroni di Valenza Gli elettroni sono divisi fra elettroni nocciolo (core) e di valenza del B 1 s 2 2 p 1 Nocciolo = [He] , valenza = 2 s 2 2 p 1 Br [Ar] 3 d 10 4 s 2 4 p 5 Nocciolo = [Ar] 3 d 10 , valenza = 4 s 2 4 p 5 7

Distribuzione degli Elettroni nelle Molecole G. N. Lewis 1875 - 1946 • • H Cl • • 8 • La distribuzione degli elettroni è rappresentata con strutture elettroniche a punti di Lewis • Gli elettroni di valenza sono classificati come condivisi o COPPIE di LEGAME e non condivisi o COPPIE SOLITARIE. • Le formule di Lewis non danno nessuna indicazione circa la disposizione spaziale o geometria dei legami • • Coppia di legame Coppia solitaria

Regola dell’ottetto La tendenza delle molecole e degli ioni poliatomici ad avere strutture in cui otto elettroni sono presenti nello strato più esterno (di valenza). 9

Il Legame Ionico Li + F 1 s 22 s 1 1 s 22 p 5 Li. F e- + Li+ + 10 Li+ F 1 s 22 s 22 p 6 Li Li+ + e- F F - Li+ F - [He] [Ne]

11 In un legame covalente due o più elettroni sono condivisi da due atomi. Ogni atomo tende ad avere otto elettroni nel suo strato più esterno. F + 7 e- F F F 7 e- 8 e- Struttura di Lewis per la molecola F 2 single covalent bond lone pairs F F single covalent bond lone pairs

Struttura di Lewis per l’acqua H + O + H single covalent bonds H O H o H O 12 H 2 e-8 e-2 e. Legame doppio – due atomi condividono due coppie di elettroni O C O o O O C double bonds 8 e- 8 e- Legame triplo – due atomi condividono tre coppie di elettroni N N 8 e-8 e- o N N triple bond

13 Strutture di risonanza. Una molecola viene rappresentata con più strutture di Lewis equivalenti. O O + O - - O + O O Strutture di risonana per l’anione carbonato (CO 32 -) – O C O O – – – O C O O –

Eccezioni alla Regola dell’Ottetto Be. H 2 BF 3 B – 3 e 3 F – 3 x 7 e 24 e- Be – 2 e 2 H – 2 x 1 e 4 e- F B F H F Be H 3 legami semplici (3 x 2) = 6 9 coppie solitarie (9 x 2) = 18 Totale = 24 14

Formazione del Legame Un legame può formarsi dalla sovrapposizione lungo l’asse di legame di orbitali atomici di atomi vicini. • • H + Cl • • • • H • • Cl • • • • Sovrapposizione di H (1 s) e Cl (2 p) Notare che ciascun atomo ha un singolo elettrone spaiato 15

GEOMETRIA MOLECOLARE Teoria VSEPR Valence Shell Electron Pair Repulsion. La disposizione geometrica dei legami intorno ad un atomo dipende dal numero di coppie elettroniche (di legame + solitarie) che lo circondano. Tali coppie si dispongono il più lontano possibile fra loro nello spazio intorno all’atomo centrale. 16

Determinazione della Struttura con la VSEPR Ammoniaca, NH 3 1. Disegnare la struttura elettronica a punti 2. Contare le coppie di legame e solitarie = 4 • • H N H H 3. Le 4 coppie elettroniche si posizioneranno ai vertici di un tetraedro. La GEOMETRIA DELLE COPPIE DI ELETTRONI E’ TETRAEDRICA. 19

Determinazione della Struttura con la VSEPR Ammoniaca, NH 3 La geometria delle coppie di elettroni è tetraedrica. Click movie to play La GEOMETRIA MOLECOLARE— le posizioni degli atomi — è PIRAMIDALE. © 2009 Brooks/Cole - Cengage 20

Determinazione della Struttura con la VSEPR 21 Acqua, H 2 O 1. Disegnare la struttura elettronica a punti 2. Contare le coppie solitarie e di legame = 4 3. Le 4 coppie elettroniche sono ai vertici di un tetraedro. La geometria delle coppie elettroniche è TETRAEDRICA. La geometria molecolare è ANGOLARE

22 Geometrie molecolari nel metano, ammoniaca e acqua

Elettronegatività • Elettronegatività: La capacità di un atomo in una molecola di attrarre gli elettroni impegnati in un legame chimico. • Pauling ha proposto una scala che varia da 0. 7 (Cs) a 4. 0 (F). © 2009 Brooks/Cole - Cengage 23

La Polarità delle Molecole Quando tra due atomi impegnati in un legame esiste una differenza di elettronegatività, il legame è polare. Legame eteronucleare polarizzato © 2009 Brooks/Cole - Cengage Legame omonucleare 24

Legame covalente polare o legame polare, per effetto di una differente elettronegatività la densità elettronica è maggiore attorno ad uno dei due atomi. Regione elettron-ricca Regione elettron-povera e- poor e- rich F H H F d+ d- r d+ d- m=Qxr (momento di dipolo) Q è la carica r è la distanza tra le cariche © 2009 Brooks/Cole - Cengage 25 1 D = 3. 36 x 10 -30 C m

Polarità Molecolare Le molecole saranno polari se a) i legami sono polari e b)la molecola NON è “simmetrica” Tutte queste molecole NON sono polari 27

Polare o Nonpolare? Confronta CO 2 ed H 2 O. Quale è polare? 28

29 Polare o Nonpolare?

30 Proprietà del legame L’ordine di legame: n° di coppie di elettroni di legame condivisi tra due atomi in una molecola. Legame doppio Legame semplice Legame triplo acrilonitrile

NO L’ordine di un legame è proporzionale ad altre due importanti proprietà del legame: (a) (b) Forza del legame Distanza di legame 414 k. J Pagina vuota 123 pm 110 pm 745 k. J 31

Lunghezza di legame Legame triplo < Legame doppio < Legame semplice 32

33 Le reazioni chimiche avvengono mediante rottura e riformazione di legami chimici. Il calore di reazione rappresenta il bilancio energetico dell’energia necessaria per rompere i legami dei reagenti e dell’energia che si svolge nella formazione dei legami dei prodotti

Energia di legame energia necessaria per rompere un legame chimico • LEGAME H—H C—C C=C C C N N Energie di legame (k. J/mol) 436 346 602 835 945 Maggiore è il numero di legami più elevata è l’energia necessaria alla rottura. Il valore dell’energia di legame, invertito di segno, rappresenta l’energia che si svolge quando si forma il legame stesso. 34

Come utilizzare le entalpie di dissociazione di legame Determinare l’energia della reazione 2 H—O—O—H 2 H 2 O 2 + H 2 O O=O + 2 H—O—H La reazione è eso- o endotermica? E’ necessario considerare: A) L’ Energia richiesta per la rottura dei legami nei reagenti B) L’ Energia sviluppata nella formazione dei legami nei prodotti 35

esempio 2 H—O—O—H O=O + 2 H—O—H Energia richiesta per rompere i legami nei reagenti: 4 mol di legami O—H = 4 x (463 k. J/mol) 2 mol di legami O—O = 2 x (146 k. J/mol) Energia richiesta per rompere i legami nei reagenti = 2144 k. J/mol Energia che si libera nella formazione di 1 mol di legami O=O e 4 mol di legami O-H = – 498 k. J/mol + 4 x(– 463) k. J/mol = – 2350 k. J/mol Bilancio dell’energia: (– 2350 + 2144) k. J/mol Hr = – 206 k. J/mol (processo esotermico) La formazione di nuovi legami produce più energia di quanto richiesto per la rottura dei legami nei reagenti 36

37 59 pg. 399 O 2 (g) + 2 H 2(g) --> 2 H 2 O(g) Valutare la variazione di entalpia della reazione. Considerazioni: Entalpia della reazione = ∑ H°f(prodotti) - ∑ H°f(reagenti) le entalpie std di formazione degli elementi sono pari a zero. Entalpie std formazione H 2 O(g) = -241, 83 k. J/mol Pertanto H°r = 2 x (-241, 8) k. J / mol = -482 k. J

O 2 (g) + 2 H 2(g) --> 2 H 2 O(g) Valutare la variazione di entalpia della reazione Consideriamo l’energia di legame nei reagenti e nei prodotti. Reagenti: O 2 (g) + 498 k. J/mol H 2(g) + 436 k. J/mol x 2 totale………. + 1370 k. J Prodotti: 4 legami O-H 4 x (– 463) k. J/mol = – 1852 k. J Bilancio: – 1852 k. J +1370 k. J = – 482 k. J LA REAZIONE E’ ESOTERMICA, PRODUCE 482 k. J 38