Legami intermolecolari
Ogni sostanza è formata da un enorme quantità di atomi, i quali sono legati tra di loro
attraverso dei legami intramolecolari per formare delle molecole; quest’ultime a loro
volta interagiscono le une con le altre, per restare unite, grazie all’instaurazione delle
forze intermolecolari che, seconda della loro entità, caratterizzano le sostanze
determinando il loro stato di aggregazione e di conseguenza molte loro peculiari
proprietà.
Anche se le forze intermolecolari sono interazioni di natura elettromagnetica che
coinvolgono una bassa energia, rispetto ai legami chimici intramolecolari, esse
influenzano in modo davvero significativo le sostanze che ci circondano, in particolare
quelle sotto forma di liquidi e solidi.
Questi ultimi sono stati fisici di
aggregazione della materia che
si distinguono a livello
microscopico per la diversa
libertà di movimento delle
molecole che li costituiscono,
determinata appunto dalle
forze intermolecolari che legano, a seconda dell’energia termica posseduta dalla
sostanza, con minore o maggiore energia le molecole, quindi limitando in minor o
maggior parte il loro movimento.
Nelle sostanze liquide gli atomi sono liberi di muoversi gli uni rispetto a gli altri,
restando comunque legati; mentre nello stato solido ciò non è possibile perché le
posizioni degli atomi sono fisse, dunque è possibile solo un movimento vibratorio
degli atomi.
Tutto ciò ad esempio non accade nello stato gassoso, in quanto le molecole sono
divise da enormi distanze e le interazioni intermolecolari, anche nel caso in cui si
instaurassero, sarebbero talmente deboli da poter essere trascurate; dunque gli atomi
allo stato gassoso sono liberi di fluire.
Dunque le diverse proprietà di solidi e liquidi rispetto ai gas si riconducono
all’esistenza delle forze di interazione.
Per esempio a livello macroscopico i liquidi assumono la forma del loro contenitore
perché, differentemente dai solidi, non hanno forma propria, ma entrambi non sono
comprimibili dato che in essi gli atomi sono già molto vicini tra loro, al contrario dei
gas che sono assolutamente comprimibili.
Ovviamente queste proprietà cambiano al variare della temperatura, poiché sappiamo
che aumentando la temperatura le particelle aumentano anche la loro energia cinetica,
vale a dire l’energia di movimento, in tal modo le molecole avrebbero abbastanza
energia per rompere i legami intermolecolari e cambiando di conseguenza lo stato di
aggregazione della sostanza facendole assumere delle nuove proprietà.
Altre manifestazioni delle forze intermolecolari osservabili quotidianamente sono la
tensione superficiale e viscosità.
La prima è legata alla tendenza dei liquidi ad assumere la forma che renda il più
possibile minima l’area superficiale, ciò fa sì che essi oppongono una certa resistenza
alla penetrazione. Dal punto di vista molecolare i liquidi sono composti da molecole
più interne che interagisco a 360° con altre molecole simili, e molecole più esterne,
che interagiscono solo con le molecole al loro di sotto e dunque sono soggette aduna
forza netta differente che crea una tensione in superficie; ciò spiega ad esempio perché
alcuni insetti riescono a galleggiare sull’acqua anche avendo una densità maggiore.
Inoltre, come è facile intuire, la tenzone superficiale cresce all’aumentare dell’entità
delle forze.
La viscosità, invece, è la resistenza dei liquidi allo scorrimento, dunque anche in
questo caso al crescere dell’entità delle forze intermolecolari la libertà di movimento
dei fluidi diminuirà, creando così un ostacolo allo scorrimento e facendo aumentare la
viscosità.
Abbiamo largamente parlato degli effetti delle forze intermolecolari sulle sostanze,
quindi dell’aspetto più macroscopico, ora esaminiamo sotto l’aspetto microscopico le
diverse tipologie di forze esistenti tra le molecole.
Si conoscono tre tipi di legami intermolecolari:
· il legame a idrogeno
· le forze di van der Waals, che comprendono due grandi categorie:
- interazioni dipolo-dipolo
-forze di London
La natura e l’intensità delle forze intermolecolari dipendono dalle caratteristiche
strutturali delle singole molecole; dipendono, cioè, sia dalla polarità dei legami interni
alla molecola sia dalla geometria della molecola stessa. Infatti, dire che un composto
ha legami covalenti polari non significa affermare che la molecola è polare.
La polarità di una molecola dipende, come detto, anche dalla sua geometria, grazie
alla quale le polarità dei legami possono annullarsi a vicenda oppure sommarsi.
Un dipolo è un sistema che ha due poli elettrici con carica uguale ma di segno
opposto, separati da una certa distanza d. Un dipolo elettrico ha un momento di
dipolare μ definito da:
μ=q.D
dove : q è la carica dei due poli e d è la distanza.
Una molecola è polare se la somma dei momenti di dipolo di tutti i suoi legami è
diversa da zero.
Le molecole polari che hanno un momento di dipolo complessivo diverso da zero si
dicono dipoli permanenti.
I legami elettrostatici tra dipoli permanenti sono chiamati forze diolo-dipolo.
Le interazioni dipolo-dipolo sono attrazioni elettrostatiche che si originano tra le
parti parzialmente positive (δ+) e le parti parzialmente negative (δ-) di molecole
polari contigue. Le molecole tendono a orientarsi in modo che le parti δ- di un dipolo
siano vicine a quelle δ+ del dipolo adiacente.
Le sostanze con molecole polari possiedono, perciò, punti di fusione e di ebollizione
più alti rispetto alle sostanze costituite da molecole non polari: per questo motivo
sono spesso liquide o solide a temperatura ambiente, quando l'agitazione termica non
e molto elevata.
Le forze di London si esercitano fra tutte le molecole e hanno però un ruolo
significativo soltanto quando fra le molecole non agiscono altre forze di attrazione più
intense. Per un istante, una zona della molecola può essere più positiva (o più negativa) di
un'altra. Questo potrebbe favorire l'instaurarsi di deboli forze di attrazione fra le
molecole.
Soltanto se la temperatura e sufficientemente bassa, ovvero se l'agitazione termica
delle molecole e molto ridotta, queste forze sono in grado di tenere unite le molecole
l'una all'altra, permettendo la formazione del liquido e del solido.
Si forma tra molecole che contengono un atomo di H legato ad un altro atomo più
elettronegativo e di piccole dimensioni (tipo O, N, F). Il legame in queste molecole e
covalente-polare, con polarità accentuata.
Caratteristiche del legame idrogeno
· molto più debole (circa 1/10) di un legame covalente o ionico
· ha vita breve (nell’H2O dura circa 1/100.000.000.000 di secondo)
· si spezza ma si riforma rapidamente
· complessivamente, pero, i legami H hanno una forza considerevole e riescono a
tenere unite le molecole di H2O in condizioni normali di temperatura e pressione.
Tutte queste tipologie di legami intermolecolari sono, seppur nella loro diversità, dei
legami molto deboli che nonostante tutto influenzano il mondo che ci circonda senza
neppure che noi ce ne accorgiamo.
