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)
