Apri PDF 1 - Etoilepedia

IA
IL LEGAME CHIMICO
LE
PE
D
La teoria quantistica ha introdotto il concetto di valenza, cioè della capacità di un
atomo di formare un determinato numero di legami a seconda della propria
configurazione elettronica; la disposizione elettronica in orbitali, quindi, consente di
prevedere quanti legami potrà subire un atomo.
L’unione di due o più atomi attraverso legami porta alla formazione di MOLECOLE.
I legami che formano le molecole si suddividono in 2 grandi categorie:
• LEGAMI IONICI
• LEGAMI COVALENTI
Alla base della formazione di legami sta il principio che durante l’unione di 2 atomi a
formare un legame stabile avviene sempre una liberazione di energia e quindi il
processo di formazione di legame è un processo SPONTANEO.
Vediamo brevemente in dettaglio le caratteristiche dei due tipi di legame.
ET
OI
LEGAME IONICO
E’ il legame che si forma tra due atomi aventi elettronegatività molto diverse.
Quando un atomo fortemente elettropostivo (come ad esempio un metallo alcalino),
si lega con un atomo fortemente elettronegativo (come un alogeno), il primo “cede”
l’elettrone che ha “in più” rispetto alla situazione di massima stabilità riferibile al gas
nobile precedente nella scala della tavole periodica, mentre il secondo “acquista”
l’elettrone che a lui manca per raggiungere la configurazione elettronica del gas
nobile subito seguente.
A causa della forte differenza di elettronegatività, l’atomo elettropositivo CEDE
l’elettrone all’atomo elettronegativo, quindi il legame si forma per
TRASFERIMENTO di elettroni da un atomo all’altro. Si ha quindi la formazione di
due ioni, uno carico positivo e l’altro carico negativo.
L’attrazione tra i due atomi, o meglio tra i due ioni, è di natura puramente
elettrostatica.
Un esempio di legame ionico si ha nella molecola di cloruro di sodio, NaCl, dove
l’atomo di sodio (Na) cede l’elettrone dell’orbitale 3s (raggiungendo la
configurazione del gas nobile Neon) all’atomo di cloro (Cl) che con quell’elettrone
va a completare l’orbitale 3p (raggiungendo la configurazione del gas nobile Argo). I
due atomi, cedendo/acquistando l’elettrone, diventano a loro volta ioni Na+ e Cl- e
stanno quindi uniti per forze di natura elettrostatica.
LEGAME COVALENTE
E’ il legame che si forma tra due atomi aventi elettronegatività simili.
Per gli atomi che si trovano nella zona centrale della tavola periodica, in cui le
elettronegatività sono similari, non è giustificata la formazione di legami ionici, in
quanto non si assiste ad una cessione vera e propria di elettroni; tuttavia i legami
chimici si formano lo stesso e hanno caratteristiche diverse da quelli ionici.
13
LE
PE
D
IA
Il legame covalente avviene non per cessione ma per COMPARTECIPAZIONE /
CONDIVISIONE di elettroni. Due atomi che formano un legame covalente mettono
in condivisione gli elettroni che servono per raggiungere a loro volta la
configurazione elettronica esterna del gas nobile a loro più vicino.
L’esempio più semplice di legame covalente è quello che si forma nelle molecole
formate da due atomi uguali, ad esempio la molecola di idrogeno (H2) o la molecola
di cloro (Cl2): in queste molecole, i due atomi hanno identiche elettronegatività per
cui non possono assolutamente formare legami ionici.
L’atomo di idrogeno, che possiede solo un elettrone di valenza, nella molecola di
idrogeno mette in compartecipazione con l’altro atomo di idrogeno questo elettrone
ed entrambi vanno a completarsi reciprocamente l’orbitale 1s, raggiungendo così la
configurazione dell’Elio. Analogamente l’atomo di cloro, a cui manca un elettrone
per avere la configurazione dell’Argo, compartecipa con l’altro atomo di cloro un
elettrone in modo che entrambi vanno a completare i rispettivi orbitali 3p.
Per descrivere simbolicamente i legami covalenti si utilizza il metodo delle formule
di struttura di Kekulè, o formule di struttura a linee: OGNI LEGAME, FORMATO
DALLA COMPARTECIPAZIONE DI 2 ELETTRONI, VIENE INDICATO CON
UNA LINEA CHE COLLEGA I DUE ATOMI CHE LO FORMANO.
I numeri scritti in basso (a pedice) che compaiono nelle formule brevi o a linee delle
molecole indicano sempre IL NUMERO DI ATOMI DELL’ELEMENTO
PRECEDENTE IL NUMERO presenti nella molecola sessa.
Ad esempio la molecola di idrogeno, che si indica in breve come H2, viene disegnata
schematicamente come di seguito:
H2 (dicitura abbreviata) = H-H (dicitura secondo formula di struttura)
OI
Analogamente la molecola di cloro, Cl2:
Cl2 (dicitura abbreviata) = Cl-Cl (dicitura secondo formula di struttura)
ET
Più complicato diventa quando si hanno molecole che sono composte da più di 2
atomi, in cui la schematizzazione della formula di struttura avviene disponendo gli
atomi sul piano e collegandoli con le linee in modo da posizionarli sul piano secondo
vertici di figure geometriche regolari come triangoli (nel caso l’atomo leghi altri 3
atomi), rombi (nel caso l’atomo leghi altri 4 atomi) etc..
Ad esempio vediamo di seguito come si schematizzano le molecole di acqua (H2O),
ammoniaca (NH3) e metano (CH4):
H
H
H–O–H ;
⎪
;
N
H
C
H
Acqua
H
H
H
Ammoniaca
Metano
14
ET
OI
LE
PE
D
IA
Per descrivere le molecole in modo simbolico, dunque, si usano le abbreviazioni
degli atomi che le compongono e si collegano questi atomi con linee che identificano
i legami covalenti che le compongono.
Di seguito è riportata la tabella che riporta le abbreviazioni di tutti gli atomi
componenti la tavola periodica, con relativi numeri atomici e pesi atomici:
15
ET
OI
LE
PE
D
IA
Prima di addentrarci nello studio di molecole complesse come gli zuccheri, i grassi e
le proteine è necessario schematizzare come in natura queste molecole siano state
classificate e suddivise in gruppi a seconda delle loro caratteristiche che le
accomunano.
Possiamo innanzi tutto creare una grande distinzione tra molecole di natura
inorganica e molecole di natura organica: si definiscono MOLECOLE ORGANICHE
tutte quelle molecole che contengono atomi di Carbonio (tranne alcune eccezioni
come le molecole di CO, CO2 e alcuni sali di carbonio); il motivo di questa
classificazione risale alla scoperta che tutta la materia vivente, dalle piante agli
animali superiori, è composta da molecole contenenti questo elemento in quantità
preponderante.
La chimica organica, dunque, è la chimica dei composti del carbonio, ed è quella che
serve per andare a descrivere le molecole di nostro interesse.
Come detto in precedenza per semplificare lo studio delle molecole organiche, furono
creati, o meglio si isolarono GRUPPI DI MOLECOLE, aventi caratteristiche di
composizione, struttura e reattività simili, in modo da avere CLASSI di molecole
simili. Ciò che accomuna le molecole di una stessa classe è quello che si chiama
GRUPPO FUNZIONALE, ovvero un insieme di atomi facenti parte la molecola e
disposti tra loro sempre nello stesso modo che porta con sé una reattività simile in
tutte le molecole di quella classe.
Altro concetto fondamentale da citare è quello relativo alla NOMENCALTURA delle
molecole organiche, in quanto per nominare le diverse molecole scoperte si rese
necessario stabilire delle convenzioni in modo da definire in modo univoco una
molecola dall’altra.
Esistono una serie di regole per dare il nome ad un composto organico, ma la
nomenclatura di base parte dall’identificare la classe a cui la molecola appartiene;
questo deriva dall’identificare il gruppo funzionale in essa contenuto.
Isolato il gruppo funzionale, la molecola viene nominata con i prefissi e i suffissi
tipici di quel gruppo funzionale.
Ai nostri fini non interessa imparare le regole specifiche della nomenclatura, tuttavia
serve saper riconoscere un alcol da un aldeide; si riporta in seguito la tabella che
raggruppa tutti i gruppi funzionali più comuni, con a fianco un esempio di molecola
appartenente a quella classe e il suffisso che identifica la classe a cui la molecola
appartiene.
16
IA
LE
PE
D
OI
ET
Ogni gruppo funzionale isola una classe di composti organici: vediamo brevemente le
classi e le principali caratteristiche dei composti organici.
17
ALCANI
LE
PE
D
IA
Composti formati da atomi di C e H uniti da legami semplici tra loro; si hanno catene
di atomi di C uniti tra loro in modo lineare, ramificato, o ciclico, a formare un anello
chiuso, ma sempre da legami semplici; suffisso che identifica gli alcani è –ano e gli
esempi più semplici sono le molecole di metano, etano, propano etc.. di seguito
schematizzate:
Gli alcani sono caratterizzati da una reattività chimica molto bassa.
ALCHENI
Composti formati da atomi di C e H dove due atomi di C sono uniti da un doppio
legame che si identifica nella simbologia C=C; anche qui le catene possono essere
lineari, ramificate o cicliche. Il suffisso che identifica gli alcheni è –ene e l’esempio
più semplice è la molecola di etene (o etilene):
ET
OI
La reattività degli alcheni è legata al doppio legame C=C, legame forte ma
suscettibile di rottura di uno dei due legami che lo compongono per dare la
REAZIONE DI ADDIZIONE, cioè la rottura di un legame C-C porta alla formazione
di due nuovi legami C-X dove X è l’atomo della molecola che reagisce.
Un esempio di reazione di addizione è di seguito riportato:
18
ALCHINI
IA
Composti formati da atomi di C e H dove due atomi di C sono uniti da un triplo
legame che si identifica nella simbologia C≡C; anche qui le catene possono essere
lineari, ramificate o cicliche. Il suffisso che identifica gli alchini è –ino e l’esempio
più semplice è la molecola di etino:
LE
PE
D
H-C≡C-H
La reattività degli alchini è legata al triplo legame C≡C; come il doppio legame C=C,
anche questo è suscettibile di REAZIONE DI ADDIZIONE che con un passaggio
porta alla formazione di un alchene e con due alla formazione di una alcano. La
reazione è di seguito schematizzata:
Y-C≡C-K + H2→ YH-C=C-HK
1°reazione di addizione
;
YH-C=C-HK + H2→ YH2-C-C-H2K
2° reazione di addizione
COMPOSTI AROMATICI
Composti formati da atomi di C e H dove sei atomi di C sono uniti a formare un
ciclo; gli atomi di C sono legati alternatamene da legami semplici e legami doppi,
quindi l’anello sarà composto da tre legami C-C e tre legami C=C.
Il composto più semplice di questa classe è la molecola di benzene:
ET
OI
il benzene e tutti i composti aromatici sono molto poco reattivi, in quanto l’anello
aromatico è fortemente stabilizzato dalla cosiddetta RISONANZA elettronica che si
istaura tra gli elettroni dei legami tra gli atomi di C; tuttavia sono possibili reazioni di
SOSTITUZIONE ELETTROFILA sull’anello benzenico, dove un composto
elettrofilo può andare a sostituire un H legato ad un C. La reazione è di seguito
schematizzata:
19
ALOGENURI ALCHILICI
LE
PE
D
IA
Composti che derivano direttamente dagli alcani (alch-ilici), in cui un atomo di H
dell’alcano è stato sostituito con un atomo di alogeno (Cl, F, Br, I). la nomenclatura
segue le regole degli alcani, dove però si specifica la posizione in cui compare
l’atomo di alogeno.
Gli alogenuri alchilici sono una classe molto importante di molecole organiche non
tanto per la loro massiccia presenza in natura, quanto perché implicati in reazioni
molto importanti quali la SOSTITUZIONE NUCLEOFILA e la ELIMINAZIONE.
Nella reazione di sostituzione nucleofila, un gruppo nucleofilo va a reagire con
l’alogenuro per sostituirsi all’alogeno secondo lo schema seguente:
nella reazione di eliminazione, invece, l’alogeno in determinate condizioni viene
spinto ad uscire dalla molecola di alogenuro formando un alchene e un acido forte,
secondo lo schema seguente, che compara la reazione di sostituzione con quella di
eliminazione:
ALCOLI E FENOLI
ET
OI
Composti che contengono il GRUPPO OSSIDRILE, cioè la coppia di atomi O-H,
dove l’atomo di ossigeno è legato ad un atomo di carbonio; il gruppo funzionale
ossidrilico è perciò composto da C-O-H. Se il gruppo O-H è legato ad un carbonio
non aromatico ho un ALCOL, mentre se è legato ad un carbonio appartenente ad un
anello aromatico ho un FENOLO.
Gli alcoli in natura sono importanti molecole in quanto generalmente hanno una parte
apolare (la catena formata da C e H) che termina con il gruppo funzionale polare –
OH, che rende la molecola polare e quindi affine con l’acqua e con tutte le molecole
polari.
La polarità degli alcoli è data dal dipolo del gruppo funzionale –OH, cioè dal fatto
che verso l’ossigeno si accumula la carica negativa (in quanto O è più elettronegativo
20
LE
PE
D
IA
di H), mentre su H resta una parziale carica positiva: questa polarità è responsabile
della formazione dei LEGAMI A IDROGENO nelle soluzioni di alcoli.
Il legame a idrogeno non è un vero e proprio legame come quello ionico o quello
covalente, ma una sorta di attrazione tra atomi di O e di H di gruppi –OH di diverse
molecole.
Il gruppo –OH compare in molecole organiche quali gli zuccheri.
Gli alcoli sono soggetti a molteplici razioni chimiche:
DISIDRATAZIONE: un alcol può perdere una molecola di acqua e formare un
alchene;
OSSIDAZIONE: una alcol può perdere una molecola di idrogeno e formare un
aldeide o un chetone; viceversa per idrogenazione di aldeidi e chetoni si ottengono gli
alcoli.
ALDEIDI E CHETONI
OI
Composti che contengono un GRUPPO CARBONILE C=O, dove l’atomo di C
possiede altri due legami liberi: se entrambi sono con altri atomi di C allora ho un
CHETONE, se invece uno dei due è con un atomo di H allora ho un ALDEIDE.
In generale il gruppo –CR=O, dove R simboleggia un generico gruppo alchilico,
prende il nome di GRUPPO ACILE.
Il gruppo carbonile è considerato il più importante nella chimica organica biologica,
in quanto compare in molecole quali zuccheri, acidi organici ( molecole di base per la
formazione dei grassi) e in altre molecole di notevole importanza.
A differenza del legame C=C, il gruppo C=O è fortemente polarizzato, per cui
diventa responsabile di molteplici reazioni chimiche:
OSSIDAZIONE: un aldeide o un chetone possono venire ossidati, in presenza di
ossidanti molto forti, a formare acidi carbossilici.
ET
ADDIZIONE NUCLEOFILA: a causa di gruppi nucleofili, cioè gruppi molto ricchi
di elettroni disponibili, il C del gruppo carbonile può reagire rompendo il doppio
legame C=O e formando generalmente un alcol e un legame con un generico gruppo
R.
IDRATAZIONE: in condizioni particolari una molecola di aldeide o chetone può
addizionare una molecola di acqua e formare un DIOLO, cioè un C con legati due
gruppi alcolici –OH.
21
IA
LE
PE
D
ACIDI CARBOSSILICI E DERIVATI
Gli acidi carbossilici sono composti che contengono il GRUPPO CARBOSSILE
COH=O, dove l’atomo di C possiede un solo legame libero, in quanto un legame è
impegnato con il gruppo -OH e due legami con O: il quarto legame disponibile è
sempre con un altro atomo di C, cioè con una catena alchilica.
I derivati degli acidi carbossilici sono composti che contengono il gruppo CY=O,
dove il gruppo -OH dell’acido è sostituito da un gruppo Y particolare che caratterizza
il derivato come da figura seguente:
ET
OI
Gli acidi carbossilici e derivati sono molecole organiche molto importanti in quanto
compaiono nei grassi e anche nelle proteine; possiedono tutti il gruppo carbonile
polare e in più gli acidi possiedono anche il gruppo ossidrile, capace di interazioni
idrogeno con altri gruppi ossidrile di altre molecole di acido.
Caratteristica principale degli acidi carbossilici è la loro ACIDITA’, cioè la capacità
di perdere uno ione idrogeno (H+) e di formare uno ione carbossilato negativo
–COO- , in cui l’elettrone responsabile della carica negativa viene stabilizzato dai due
ossigeni che con il fenomeno della RISONANZA eguagliano i loro legami con
l’atomo di carbonio formando uno ione molto stabilizzato.
Sia gli acidi carbossilici che i loro derivati danno luogo a reazioni particolari e
complesse, di cui non si ha interesse; la reazione più importante è appunto quella
acida, cioè di liberare lo ione acido H+ , seguita da quella di RIDUZIONE, cioè
l’addizione di una molecola di idrogeno che porta alla formazione di un alcol.
22
AMMINE
ET
OI
LE
PE
D
IA
Composti che contengono un GRUPPO AMMINO C-N, dove l’atomo di C possiede
tre legami liberi e l’atomo di azoto possiede due legami liberi.
A seconda che i legami dell’azoto siano con altri carboni o con idrogeni si
distinguono ammine primarie (RNH2), dove l’atomo di azoto ha legati due idrogeni;
ammine secondarie (R2NH), dove l’azoto lega un idrogeno e un altro gruppo alchilico
R; ammine terziarie (R3N) dove l’azoto lega tre gruppi alchilici.
Le ammine sono molecole molto importanti perché sono componenti delle proteine,
molecole organiche molto importanti.
L’azoto dell’ammina è molto nucleofilo, cioè possiede un doppietto elettronico libero
e quindi è molto ricco di elettroni. In condizioni particolari, perciò, lega gruppi
elettrofili e forma lo ione ammonio positivo.
Anche le ammine sono responsabili di diverse reazioni chimiche, differenti a seconda
del tipo di ammina, che tuttavia in questo studio non ci interessano.
23