Modelli di distribuzione elettronica nelle specie poliatomiche
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Modelli di distribuzione elettronica nelle specie poliatomiche L’evidenza sperimentale In natura gli atomi non si trovano isolati, ma combinati con altri per formare specie poliatomiche L’eccezione: Gas Nobili La spiegazione teorica: Gli atomi si comportano come sistemi meccanici Tendono a minimizzare la propria Energia Potenziale Le specie poliatomiche hanno Energia potenziale inferiore a quella degli atomi isolati Origine della Distribuzione elettronica di legame Condizione necessaria perché due o più atomi interagiscano è che essi si avvicinino ad una distanza prossima alla dimensione atomica. La dimensione di un atomo viene valutata in base alla distanza tra i nuclei di due atomi adiacenti Gli elettroni di valenza di ogni atomo risentono della presenza di entrambi i nuclei Perché diminuisce il contenuto energetico? Formazione di una specie poliatomica Gli elettroni di valenza degli atomi coinvolti risentono di un’interazione con più di un nucleo Creazione di una nuova distribuzione elettronica per gli elettroni di valenza degli atomi coinvolti L’energia potenziale che compete alla nuova distribuzione è minore rispetto a quella di un atomo isolato Legame Chimico La parte della nuova distribuzione elettronica generata dagli elettroni di valenza che fisicamente è localizzata tra i due nuclei, determina certamente un’interazione attrattiva tra i due atomi che prende il nome di LEGAME CHIMICO Il numero di elettroni fisicamente localizzato tra i due nuclei determina l’ordine di legame : 2 elettroni ordine di legame 1 Legame Semplice 4 elettroni ordine di legame 2 Legame Doppio 6 elettroni ordine di legame 2 Legame Triplo Il conseguente abbassamento di energia potenziale consequenziale all’interazione interatomica è noto come Energia di Legame La distanza internucleare tra gli atomi coinvolti nel legame prende il nome di Distanza di Legame Energia di Legame e Distanza di Legame L’ energia di Legame e la distanza di legame dipendono da: Natura Chimica degli atomi coinvolti Ordine di legame Legame Energia di Legame Lunghezze di Legame (nm) KJ/mol HH CH CC C═C CC 436 413 370 680 890 0.074 0.11 0.154 0.130 0.120 Modello di Legame Covalente I caso: Interazione tra atomi di elementi che hanno gli stessi valori di E.I. e A.E. (Non-Metallo + Non-Metallo) Caso particolare: Atomi dello stesso tipo (Elementi Chimici) I nuclei esercitano sulle distribuzioni elettroniche di legame la STESSA ATTRAZIONE La distribuzione elettronica sarà equamente distribuita tra i due nuclei (Legame Covalente) Modello di Legame Covalente Formazione del legame covalente in H2 Modello di Legame Covalente Polare Domanda: Come si descrive la distribuzione elettronica se gli atomi non sono uguali? Previsione Il nucleo dell’elemento con maggiore Energia di Ionizzazione e Affinità Elettronica eserciterà un’attrazione maggiore sulla distribuzione elettronica. La distribuzione elettronica risulta asimmetrica HCl Legame Covalente Polare Elettronegatività Le caratteristiche della distribuzione elettronica dipendono contemporaneamente dal valore di Energia di Ionizzazione (E.I.) e Affinità Elettronica (A.E.) degli atomi coinvolti nel legame E’ utile definire una nuova grandezza che le contempli contemporaneamente: Elettronegatività X = (E.I. -A.E.)/ k Numero che esprime la tendenza di un atomo ad attrarre la distribuzione elettronica di legame Proprietà Periodiche: Elettronegatività Aumenta lungo un periodo Diminuisce lungo un gruppo Proprietà Periodiche: Elettronegatività Elementi elettropositivi Elementi elettronegativi Modello di Legame Ionico III caso: Interazione tra atomi di elementi distanti sulla tavola periodica (Metallo + Non-Metallo). I due elementi sono caratterizzati da valori molto diversi di Elettronegatività Il nucleo del non-metallo attrae la distribuzione elettronica con intensità >> del nucleo dell’elemento metallico Trasferimento completo della distribuzione elettronica sull’atomo del non-metallo Gli ioni formati si attraggono con Forze Coulombiane Forza di attrazione Elettrostatica F 1 z1 z 2 (Legge di Coulomb) 40 r2 z1, z2: cariche degli ioni r: distanza tra gli ioni L’interazione tra gli atomi divenuti ioni è detta Legame Ionico Legame Ionico: Formazione dei Composti Ionici Distribuzione della densità elettronica Simmetrica Parzialmente Asimmetrica Totalmente Asimmetrica La differenza di elettonegatività (X) tra gli atomi interagenti discrimina il tipo di legame Elettronegatività e Simmetria della Distribuzione Elettronica I due atomi hanno lo stesso valore di elettronegatività (X=0) Legame Covalente H2 I due atomi non hanno lo stesso valore di elettronegatività (X0) La distribuzione elettronica è simmetrica H—H Legame Covalente Polare La distribuzione elettronica risulta asimmetrica HCl Caso Estremo: I due atomi hanno valori di elettronegatività molto diversi Legame Ionico La distribuzione elettronica è completamente trasferita sull’atomo più elettronegativo Previsione del Tipo di Legame tra gli atomi Il parametro per discriminare il tipo di legame che si instaura tra gli atomi è la differenza di elettronegatività (X) X 2 Legame Ionico X < 1.5 Legame Covalente Polare X = 0 Legame Covalente Giustificazione delle Formule dei Composti Il Problema: Perché le specie poliatomiche hanno formule chimiche definite? Es: Perché H2O e non HO o H3O? Giustificare la formula dei composti La distribuzione elettronica di legame è generata dagli elettroni di valenza. Essa è descritta in termini di orbitali non più atomici, ma molecolari Prevedere il numero di legami che un atomo può formare Il modello più semplice per caratterizzare gli orbitali molecolari, prevede che essi si originino dalla sovrapposizione di orbitali atomici Per gli orbitali molecolari vale il Principio di esclusione di Pauli (ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni con spin antiparallelo) Il numero di legami che un atomo può formare è pari al numero di orbitali semipieni nel livello energetico più esterno Giustificazione delle Formule dei Composti Esempi: 7N Formula del composto 1s2 2s2 2p3 NH3 3 legami 8O 1s2 2s2 2p4 1H 1s1 + 1 legame H2O 2 legami 9F 1s2 2s2 2p5 HF 1 legame Giustificazione delle Formule dei Composti Eccezioni: 4Be 1s2 2s2 nessun legame 1H Formula Prevista Formula del composto Non forma composti BeH2 1s1 + 5B 1s2 2s2 2p1 1 legame BH BH3 1 legame 6C 1s2 2s2 2p2 CH2 2 legami CH4 Giustificazione delle Formule dei Composti Correzione del Modello 5B 1s2 2s2 2p1 5B* 1s2 2s1 2p2 Formula del composto BH3 3 legami Promozione di un elettrone La promozione di un elettrone richiede una spesa energetica Come si giustifica? L’energia spesa è un investimento vantaggioso La promozione dell’elettrone avviene nello stesso livello energetico (numero quantico principale costante La promozione dell’elettrone consente la formazione di due legami in più. E’ richiesta poca energia Sensibile diminuzione di energia L’Energia potenziale diminuisce Il numero di legami che un elemento può formare è pari al massimo numero di orbitali semipieni ottenibili nell’ultimo livello energetico Geometria Molecolare Geometria Molecolare: Descrive la struttura della molecola La struttura della molecola specifica la disposizione degli atomi nella molecola: Come sono legati tra di loro Come sono disposti nello spazio Atomo Coordinante (Centrale) : Atomo che si lega ad almeno 2 atomi Giustificazione della geometria molecolare Teoria V.S.E.P.R. (Valence Shell Electron Pair Repulsion) Gli elettroni hanno carica negativa Se occupano la stessa regione dello spazio si instaurano intense forze repulsive Aumento di Ep Le distribuzioni elettroniche di valenza tendono a disporsi nello spazio intorno all’atomo centrale alla massima distanza possibile, per minimizzare l’energia potenziale Giustificazione della geometria molecolare Teoria V.S.E.P.R. (Valence Shell Electron Pair Repulsion) Esempi: BeCl2 CH4 : BCl3 :: │ : Cl : : :Cl―Be―Cl: : : : : : : Cl―B―Cl : 2 coppie intorno all’atomo centrale 3 coppie intorno all’atomo centrale H │ H―C―H │ H 4 coppie intorno all’atomo centrale Teoria V.S.E.P.R. Effetto delle Coppie di Non-Legame (Distribuzioni elettroniche di valenza che fisicamente non sono disposte tra i due nuclei) Le distribuzioni elettroniche di non legame vanno considerate alla stessa stregua di quelle di legame Distribuzione elettronica intorno all’atomo centrale è formata da 4 coppie Struttura tetraedrica Angolo di legame nell’intorno di 109,5 : : Valori più piccoli dell’angolo di legame sono spiegabili in termini di 4 distribuzioni elettroniche non equivalenti 4 coppie Esempi: (3 di legame+ 1 di non legame) NH3 H―N―H │ Angolo di legame 107° H H 2O :O ―H │ H 4 coppie (2 di legame+ 2 di non legame) Angolo di legame 104,5° Molecole Polari e Non Polari Molecole Polari e Non Polari Esperimento: Alcune molecole si comportano come dipoli elettrici Molecole Biatomiche: Condizione necessaria e sufficiente affinchè la molecola sia polare è la presenza di legami covalenti polari Molecole almeno triatomiche: La presenza di legami covalenti polari è condizione necessaria ma non sufficiente affinchè la molecola sia polare Ad un legame covalente polare non corrisponde necessariamente la presenza di un dipolo sulla molecola Esempi: BeCl2 CO2 Momento di dipolo Grandezza vettoriale () che caratterizza un dipolo elettrico Caratteristiche del vettore: Modulo: Prodotto delle cariche parziali per la loro distanza (distanza di legame). Direzione: Quella di legame Verso: Dalla parziale carica positiva a quella negativa (verso l’elemento più elettronegativo). Risultante dei momenti di dipolo nulla Risultante dei momenti di dipolo non nulla Molecola non polare Molecola polare La polarità di una molecola dipende da: 1) Presenza di legami covalenti polari 2) Distribuzione degli atomi nello spazio (Geometria Molecolare)
