I legami presenti nella molecola del metano CH

I legami presenti nella molecola del metano CH 4 non possono essere giustificati pensando l’atomo del Carbonio con un orbitale s e tre orbitali p nel livello quantico più esterno; la molecola non è planare come suggerirebbe la formula di Lewis, bensì TETRAEDRICA 109°, 28’ In altri termini l’atomo di Carbonio ibridizza i suoi 4 elettroni di valenza in 4 orbitali equivalenti sp 3 C= 1 s 22 p 2 + 65 kcal/mol sp 3 C (sp 3)1 In altri termini se si fosse solo promosso 1 elettrone 2 s a 2 p la forma degli orbitali sarebbe secondo questo semplice schema e non già con l’atomo di carbonio al centro di un tetraedro ed angoli di 109°, 28’ 2 s 2 px 2 py 2 pz L’atomo di Carbonio invece ibridizza i suoi 4 elettroni di valenza in 4 orbitali equivalenti sp 3 ; Att. : 4 sp 3 significa 4 elettroni, senza riferimento al numero quantico principale!

le ibridazioni ibridazione sp 2 un legame planare, sp 2, ed un piramidale, sp 3, a confronto la distribuzione elettronica che è tipica di 3 orbitali sp 2 e di un orbitale π l’elettrone p non ibridato forma un orbitale π planare C (sp 2)1 p 1

ibridazione sp Formula di Lewis Forma Ibridazione Esempio tetraedrica sp 3 CH 4 ; NH 4+ piramidale sp 3 NH 3 ; H 3 O+ triangolare sp 3 H 2 O triangolare sp 2 NO 2 - ; SO 2 planare sp 2 SO 3 ; CO 3 2 - lineare sp HCN ; CO 2 gli elettroni p non ibridati formano 2 orbitali π intorno al legame σ dell’ibridato C (sp)1 p 1 p 1

Benzene E’ un anello di atomi di carbonio completamente coniugati; in questa molecola non esistono né doppi legami né legami singoli; TUTTI i legami carbonio-carbonio hanno carattere intermedio 1. 33 Å formula limite 1. 38 Å formula reale 1. 53 Å formula limite

1. 50 C-C etano C≈C benzene C=C etene 1. 20 distanza di legame, Å Maggiore è la molteplicità di legame, più fortemente sono legati gli atomi, e minore è la distanza interatomica C≡C etino Nel benzene la molteplicità è 1. 5 1. 0 2. 0 3. 0 molteplicità Visualizzazioni della delocalizzazione degli elettroni p impegnati in π

Le proprietà allotropiche dell’atomo di Carbonio Il Carbonio appartiene al gruppo IVA, 2 s 22 p 2, insieme al Silicio, al Germanio lo Stagno ed il Piombo. Questi elementi hanno la tendenza a dare legami covalenti (1/2 gas nobile) specialmente Carbonio e Silicio Il Carbonio forma un numero enorme di idruri (centinaia di migliaia); il Silicio NON va oltre Si 6 H 14; gli idruri del Carbonio hanno catena lineare e ramificata Il Carbonio forma legami multipli sovrapponendo orbitali p, con altri Carboni ed altri elementi, formando legami π; il Silicio NON forma legami π. CO 2 fonde a -56°C a 5. 11 Atm; Si. O 2 fonde a 1710 °C Legami Si-Si= 50 kcal/mol Si-O= 100 kcal/mol; C-C= 80 kcal/mol C-O= 80 kcal/mol La CO 2 è una molecola lineare; Si. O 2 è un cristallo tetraedrico macromolecolare insolubile e di tipo rigidamente ordinato (Si. O 2)n

Il Carbonio può dare molti legami : 1 legame triplo ed un singolo sp (H-C≡N) 2 doppi sp (CO 2), 1 doppio e 2 singoli sp 2 (H 2 C=CH 2), 4 singoli sp 3 (CH 4); in aggiunta uno o più degli elettroni può partecipare in legami covalenti delocalizzati Allotropia del Carbonio Proprietà Diamante Grafite Aspetto Frammenti ottaedrici regolari Cristalli piccoli e grandi, fioccosi Colore Trasparente, giallo, bruno Nera Trasmissione luce Sì; elevata rifrazione Opaca Densità 3. 5 2. 2 Durezza Elevatissima Tenerissima Conducibilità NO 1000 volte < Cu

diamante grafite La grafite, sono in evidenza gli orbitali p delocalizzati; tutti gli atomi di C sono sp 2 fullerene nanotubi grafite

Gli alcani Formula generale= Cn. H 2 n+2 , con n=qualsiasi intero (Idrocarburi= Carbonio+Idrogeno) Metano, CH 4; idrogeni equivalenti Etano, C 2 H 6; idrogeni equivalenti Propano, C 3 H 8; idrogeni non equivalenti; carbonio centrale secondario porta 2 H secondari; la sostituzione degli idrogeni genera ISOMERI 1 -cloropropano 2 -cloropropano

Butani: al plurale poiché esistono 2 composti C 4 H 10 cioè 2 isomeri; il propano può sostituire idrogeni sui carboni primari e secondari, sostituendo con un -metile un primario si ottiene il n-butano, sostituendo un secondario l’isobutano n-butano iso-butano il prefisso n- indica una catena lineare, iso- indica una catena ramificata; nel n-butano ci sono 2 carboni primari e 2 secondari, nell’iso-butano ci sono 3 primari ed 1 terziario i 2 composti sono isomeri di catena Pentani: a 36°C bollono; nel n-pentano gli idrogeni secondari non sono equivalenti; in isopentano non lo sono gli idrogeni primari carbonio quaternario n-pentano iso-pentano neo-pentano

ISOMERI: a seconda della temperatura, del solvente etc. una molecola può assumere diverse CONFORMAZIONI; esse sono liberamente interconvertibili tra loro; gli ISOMERI NON sono liberamente interconvertibili tra loro Un CONFORMERO non è un ISOMERO Il prefisso n- si riferisce sempre a catene lineari; il prefisso iso- si riferisce sempre a catene ramificate Esani: C 6 H 14; ci sono 5 isomeri possibili iso-esano neo-esano 2, 3 -dimetilbutano 3 -metilpentano

Numero di isomeri di catena: per osservarlo ci vogliono 4 atomi di Carbonio; il numero possibile aumenta all’aumentare del numero di atomi di Carbonio Formula molecolare CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 n° di isomeri 1 1 1 C 4 H 10 C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 14 H 20 C 30 H 62 2 3 5 9 35 1858 4, 111, 846, 763

I gruppi funzionali: atomi o gruppi di atomi, strutturalmente definiti, che forniscano ad un alcano nuove proprietà; i gruppi conferiscono proprietà, reattività e caratteri simili - nel gruppo- e diversi dagli altri gruppi; sostanze con più di un gruppo funzionale avranno proprietà intermedie Formula Nome Classe -HC=CH- Doppio Alcheni -C≡C- Triplo Alchini -OH Ossidrile Alcoli -OR Alcossi Eteri -HC=O Formile Aldeidi -C=O Carbonile Chetoni -COOH Carbossile Acidi carbossilici -COOR Carboalcossi Esteri -NH 2 Amminico Ammine