Chimica e laboratorio I legami secondari Generalit I

Chimica e laboratorio I legami secondari.

Generalità • I legami secondari – Sono sempre interazioni elettrostatiche – Sono interazioni intermolecolari • Possiamo spiegare quindi il comportamento di sostanze molecolari e macromolecolari – Sono interazioni di tipo fisico • Reversibili: si formano e si rompono con poca spesa energetica e non modificano la natura intima della materia • Spiegano il comportamento e le caratteristiche di moltissimi materiali e sostanze

Uno schema Forze di Van der Waals Legame a idrogeno Interazioni dipolo-dipolo Forze di London

Legame a idrogeno • È il più forte legame intermolecolare conosciuto (circa un decimo di un legame covalente) • È presente in moltissime sostanze importanti • Le regole per individuare e rappresentare una sostanza che forma legami a idrogeno

H O H Le regole O H H • È necessario (ma non sufficiente) che la molecola contenga idrogeno • L’idrogeno deve essere legato, con legame covalente semplice, con atomi molto elettronegativi (F, O, N) • La molecola che “contiene” questa porzione così organizzata può formare legami idrogeno con altre molecole polari • Le molecole devono essere orientate in modo da mantenere sullo stesso asse i 3 atomi coinvolti nel legame a idrogeno

H Il caso dell’acqua O O H H H O H

Proprietà dell’acqua • La fase solida è meno densa della fase liquida (il ghiaccio galleggia in acqua) • L’acqua ha una elevata capacità termica (liquido di riscaldamento o di raffreddamento) • Il ghiaccio in opportune condizioni forma cristalli • L’acqua ha una elevata temperatura di ebollizione/fusione • Ha la tendenza ad aggregarsi, formare masse d’acqua molto grandi • L’acqua scioglie molto bene tutte le sostanze che hanno gruppi OH nella loro struttura

Molecole che formano legami idrogeno • • • H-F acido fluoridrico CH 4 metano NH 3 ammoniaca C 3 H 7 OH propanolo DNA Cellulosa Amido Glucosio Proteine

Altri legami secondari • Legami dipolo-dipolo • Forze di London (forze di Van der Waals)

Legami dipolo-dipolo Cl δ- H δ+ • Il legame a idrogeno è una versione particolarmente forte e speciale di legame dipolo-dipolo • Tutte le molecole polari possono formare interazioni dipolo-dipolo con intensità variabile • Sono responsabili dello stato fisico di molti materiali δ- δ+ Cl H

Un confronto Sostanza H-F acido fluoridrico H-Cl acido cloridrico H-Br acido bromidrico H-I acido iodidrico Temp. di fusione (°C) Temp. di ebollizione (°C) -93 20 4 20 -114 -85 3 36, 5 -89 -67 2, 8 81 -51 -35 2, 5 128 El. Alog MM

Interpretiamo la tabella • Le temperature di fusione e di ebollizione dell’HF sono molto alte rispetto all’HCl poiché solo il primo può formare legami idrogeno – Notare che l’HCl è più pesante dell’HF • L’andamento dei successivi acidi è spiegabile considerando l’aumento di massa della molecola – Infatti possiamo considerare le interazioni dipolo sufficientemente simili

Interazioni dipolo temporaneo-dipolo indotto • Molte molecole sono considerate apolari – N 2, H 2, CH 4, Cl 2, I 2, F 2, CO 2 • Eppure è possibile ottenere lo stato liquido e solido anche da queste sostanze – Cl 2 è gassoso ma Br 2 è liquido e I 2 è solido alla temperatura ambiente • Come mai? • Cosa cambia tra le 3 molecole? • Come si crea un dipolo temporaneo?

Come interagiscono le molecole apolari • La massa atomica aumenta notevolmente • Aumentano molto le dimensioni della nuvola elettronica esterna e il numero di elettroni – Cioè la nuvola elettronica esterna è molto lontana dal nucleo e sente poca attrazione protonica – Le nuvole elettroniche diventano più plastiche, meno rigide • Gli elettroni di valenza a volte si distribuiscono in maniera asimmetrica anche in molecole apolari – Questo fenomeno è denominato dipolo temporaneo – Avviene casualmente su un numero limitato di molecole (probabilità statistica)

- + + -+ + + - - Dipolo temporaneo Distribuzione asimmetrica temporanea degli elettroni di legame

Viscosità • La viscosità è la capacità che le molecole di un fluido hanno di opporsi allo scorrimento • Le forze di Van der Waals quindi sono responsabili della velocità di scorrimento del fluido – Ma l’olio è più viscoso dell’acqua! • Si deve considerare anche la massa e la complessità della struttura della molecola

Tensione superficiale • L’energia necessaria a penetrare la superficie di un liquido • È dovuta alla presenza di interazioni di Van der Waals tra le particelle di liquido – L’acqua ha una tensione superficiale elevata che • • Rende difficile l’entrata in acqua ai tuffatori Permette lo sci nautico a piedi nudi Consente ad alcuni insetti di “camminare” sulla superficie Causa il fenomeno del menisco e della capillarità