Traccia: T6) Descrivere i legami sigma e p-greco
LEGAMI SIGMA E PI GRECO Prima di arrivare ai legami sigma e pi greco partiamo nel descrivere
gli orbitali atomici.
Gli orbitali atomici sono delle regioni in cui è più probabile trovare
un elettrone, ovviamente non ci danno il camino preciso ma una
porzione di spazio dove potrebbero trovarsi. Per descrivere
completamente lo stato di un dato elettrone in un atomo dobbiamo
specificare i 4 numeri quantici:
- Numero quantico principale(n): che definisce la quasi
totalità dell’orbitale atomico e la sua grandezza, ed ha valori
interi positivi;
- Numero quantico secondario(l): definisce parte
dell’energia dell’orbitale e la sua forma, e può assumere valori
da 0 fino a n-1;
- Numero quantico magnetico(m l ): definisce l’orientazione
spaziale dell’orbitale atomico, il suo valore può variare da –l a
+l passando per lo zero;
- Numero quantico magnetico di spin(m s ): questa è una
proprietà intrinseca, cioè che viene conservata dall’elettrone
anche quando non è vincolato a orbitare attorno al nucleo, può
assumere valori da -1/2 a +1/2.
Un orbitale atomico generalmente viene designato con un numero
e una lettera. Il numero è il valore di n, la lettera quello di l. Queste
lettere sono: s,p,d e f. Quindi avremo che l ‘orbitale 1s sarà quello
più piccolo e anche quello con minore energia. L’ energia degli
orbitali aumenta nel seguente modo: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p
5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s… e così via.
Ovviamente ogni orbitale avrà una forma propria.
- L’orbitale s avrà una forma sferica:
-
- Gli orbitali p avranno una forma a doppio lobo, e risultano 3
distribuzioni spaziali:
- Gli orbitali d risultano con 5 orientazioni spaziali ed hanno
forma:
La configurazione elettronica ci indica il modo in cui gli
elettroni occupano gli orbitali di uno specifico atomo:
Nell’ esempio abbiamo l’elio che ha una configurazione 1s2.
Per gli altri elementi abbiamo questo schema:
Un’altra regola da seguire è che gli orbitali devono essere
riempiti prima con lo stesso spin, quindi se abbiamo un orbitale
2p dovremmo riempire prima i tre quadratini con le freccette
all’insù (o all’ingiù) e successivamente iniziare da capo e
mettere gli spin opposti:
In questo caso abbiamo riempito inizialmente gli orbitali: 1s2 ,
poi 2s2 e infine avendo 4 elettroni nell’orbitale 2p4 si è andato a
riempire con uno spin verso il basso i primi 3 elettroni e,
l’ultimo rimasto, con spin opposto al primo quadrante (o
comunque a uno dei tre quadranti).
Con la configurazione elettronica riusciamo anche a capire se
un atomo è più o meno stabile, sappiamo che, un atomo per
essere stabile tende a raggiungere la configurazione dei gas
nobili (ottavo gruppo sulla tavola periodica) quindi tendono a
cedere o acquistare elettroni, formando dei legami.
Abbiamo diversi tipi di legami:
- Legami ionici: si va ad instaurare quando abbiamo un non
metallo che si lega con un metallo, in questo caso c’è un vero e
proprio trasferimento di elettroni, e i due elementi diventano
ioni. Quello che perde l’elettrone sarà carico positivo quindi un
catione, quello che acquista sarà carico negativo e quindi un
anione.
- Legame covalente: il legame covalente si forma quando gli
orbitali semipieni di due atomi si sovrappongono dando origine
a un nuovo orbitale molecolare che permette a entrambi gli
elettroni di appartenere a ciascun atomo, si forma tra non
metalli e quindi l’elettrone viene condiviso e non trasferito.
Un legame covalente si forma quando una porzione di un
orbitale atomico di un atomo si sovrappone ad una porzione di
un orbitale atomico di un altro atomo. Per esempio nel formare
H2, i due idrogeni si avvicinano l’uno a l’altro in modo tale che i
loro rispettivi orbitali atomici 1s si sovrappongano per formare
un legame covalente sigma. Un legame sigma è un legame
covalente in cui la sovrapposizione degli orbitali del legame ha
luogo lungo l’asse che unisce i due nuclei.
Gli orbitali atomici si combinano tra loro per formare orbitali
ibridi, il numero di orbitali ibridi formati è sempre uguale al
numero di orbitali atomici che si combinano. Gli elementi del
secondo periodo della tavola periodica, formano tre tipi di
orbitali ibridi: sp 3, sp 2 , sp ciascuno dei quali può contenere
fino a due elettroni.
Gli orbitali sp3: combinazione di un orbitale atomico 2s e tre
orbitali 2p che porta alla formazione di 4 orbitali ibridi sp3
equivalenti. Questi orbitali consistono di un lobo più grande
che punta in una direzione e un lobo più piccolo che punta in
direzione opposta:
Gli orbitali ibridi sp2: combinazione di un solo orbitale 2s e due
orbitali 2p che produce tre orbitali ibridi sp2 equivalenti.
Ciascun orbitale è formato da due lobi, uno più grande e l’altro
più piccolo. Il terzo orbitale 2p non è coinvolto nell’ibridazione
e consiste di due lobi perpendicolari al piano degli orbitali
ibridi sp2:
Se per esempio abbiamo l’etilene (C2H4) si forma un legame
sigma tra il carbonio-carbonio per sovrapposizione tra due
orbitali ibridi sp2, ciascun carbonio forma dei legami sigma con
due idrogeni, i restanti orbitali 2p sugli atomi di carbonio si
trovano adiacenti e si sovrappongono tra loro per formare un
legame pi questo è un legame covalente formato per
sovrapposizione di orbitali p paralleli. A causa del minor grado
di sovrapposizione i legami pi sono più deboli dei legami sigma.
Gli orbitali ibridi sp: combinazione di un orbitale 2s e un solo
orbitale 2p con la formazione di due orbitali ibridi sp.
In questo caso si possono formare dei tripli legami: un legame
sigma e due legami pi, il legame sigma si forma per
sovrapposizione di orbitali ibridi sp, un legame pi si forma per
sovrapposizione di una coppia di orbitali atomici 2p paralleli e
l’altro legame pi si forma per sovrapposizione di una coppia di
orbitali atomici 2p paralleli:
Quindi possiamo concludere che i legami sigma si vanno a
formare frontalmente e sono dei legami semplici, mentre i
legami pi greco si formano lateralmente e, possono essere
doppi o tripli legami.
Un legame semplice, e quindi sigma, può essere ruotato senza
che la molecola subisca una rottura, mentre i legami pi non
riescono a ruotare, perché se si andasse a ruotare la molecola,
i legami pi paralleli non sarebbero più paralleli e la molecola
non riuscirebbe a formare il doppio legame, e non sarebbe
stabile, perché non riuscirebbe a completare l’ottetto. Anche le
lunghezze di legame sono differenti, avremo che il legame sigma
sarà il più lungo perché gli elettroni condivisi sono due, nel
doppio legame gli elettroni condivisi sono quattro e quindi c’è
più attrazione, e nei legami tripli gli elettroni condivisi sono sei,
quindi ancora più vicini, diminuendo così la distanza di legame.
Poiché i legami pi greco hanno la nuvola elettronica sopra e
sotto l'asse internucleare ma non tra i due nuclei come i legami
sigma (singoli) risulta che il legame sigma è il tipo di legame più
forte e stabile, tuttavia i pi greco influiscono sulla stabilità e
sulla distanza dei nuclei nel doppio e triplo legame Quindi nel
doppio legame alla nuvola elettronica tra i nuclei (sigma) si
aggiunge quella sopra e sotto (pi greco) che aumenta
l'attrazione tra i nuclei stessi: si ha aumento della forza di
legame e diminuzione della distanza tra i nuclei. Il triplo fa lo
stesso, più del doppio.
L’energia di legame associata ad un triplo legame è maggiore
dell'energia di un legame semplice e di un legame doppio, per
cui nel caso del triplo legame gli atomi risentono di una forza
attrattiva maggiore, ovvero la loro lunghezza di legame è
minore. A causa del loro elevato contenuto energetico i tripli
legami sono generalmente più reattivi dei legami semplici,
sebbene questo non sia sempre vero.
