Chimica e laboratorio

1. Chimica e laboratorio I legami secondari Classi quarte/quinte Docente: Luciano Canu Anno Scolastico 2008/2009

2. Generalità • I legami secondari • Sono sempre interazioni elettrostatiche • Sono interazioni intermolecolari • Possiamo spiegare quindi il comportamento di sostanze molecolari e macromolecolari • Sono interazioni di tipo fisico • Reversibili: si formano e si rompono con poca spesa energetica e non modificano la natura intima della materia • Spiegano il comportamento e le caratteristiche di moltissimi materiali e sostanze

3. Uno schema Forze di Van der Waals Legame a idrogeno Interazioni dipolo-dipolo Forze di London

4. Legame a idrogeno • È il più forte legame intermolecolare conosciuto (circa un decimo di un legame covalente) • È presente in moltissime sostanze importanti • Le regole per individuare e rappresentare una sostanza che forma legami a idrogeno

5. H O H H O Le regole H • È necessario (ma non sufficiente) che la molecola contenga idrogeno • L’idrogeno deve essere legato, con legame covalente semplice, con atomi molto elettronegativi (F, O, N) • La molecola che “contiene” questa porzione così organizzata può formare legami idrogeno con altre molecole polari • Le molecole devono essere orientate in modo da mantenere sullo stesso asse i 3 atomi coinvolti nel legame a idrogeno

6. H H H H O O O O H H H H Il caso dell’acqua H O H

7. Proprietà dell’acqua • La fase solida è meno densa della fase liquida (il ghiaccio galleggia in acqua) • L’acqua ha una elevata capacità termica (liquido di riscaldamento o di raffreddamento) • Il ghiaccio in opportune condizioni forma cristalli • L’acqua ha una elevata temperatura di ebollizione/fusione • Ha la tendenza ad aggregarsi, formare masse d’acqua molto grandi • L’acqua scioglie molto bene tutte le sostanze che hanno gruppi OH nella loro struttura

8. Molecole che formano legami idrogeno • H-F acido fluoridrico • CH4 metano • NH3 ammoniaca • C3H7OH propanolo • DNA • Cellulosa • Amido • Glucosio • Proteine

9. Altri legami secondari • Legami dipolo-dipolo • Forze di London (forze di Van der Waals)

10. δ- δ+ H Cl Legami dipolo-dipolo • Il legame a idrogeno è una versione particolarmente forte e speciale di legame dipolo-dipolo • Tutte le molecole polari possono formare interazioni dipolo-dipolo con intensità variabile • Sono responsabili dello stato fisico di molti materiali δ- δ+ δ- δ+ δ- δ+ H H Cl H Cl Cl

11. Un confronto

12. Interpretiamo la tabella • Le temperature di fusione e di ebollizione dell’HF sono molto alte rispetto all’HCl poiché solo il primo può formare legami idrogeno • Notare che l’HCl è più pesante dell’HF • L’andamento dei successivi acidi è spiegabile considerando l’aumento di massa della molecola • Infatti possiamo considerare le interazioni dipolo-dipolo sufficientemente simili

13. Interazioni dipolo temporaneo-dipolo indotto • Molte molecole sono considerate apolari • N2, H2, CH4, Cl2, I2, F2, CO2 • Eppure è possibile ottenere lo stato liquido e solido anche da queste sostanze • Cl2 è gassoso ma Br2 è liquido e I2 è solido alla temperatura ambiente • Come mai? • Cosa cambia tra le 3 molecole? • Come si crea un dipolo temporaneo?

14. Come interagiscono le molecole apolari • La massa atomica aumenta notevolmente • Aumentano molto le dimensioni della nuvola elettronica esterna e il numero di elettroni • Cioè la nuvola elettronica esterna è molto lontana dal nucleo e sente poca attrazione protonica • Le nuvole elettroniche diventano più plastiche, meno rigide • Gli elettroni di valenza a volte si distribuiscono in maniera asimmetrica anche in molecole apolari • Questo fenomeno è denominato dipolo temporaneo • Avviene casualmente su un numero limitato di molecole (probabilità statistica)

15. + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - Dipolo temporaneo Distribuzione asimmetrica temporanea degli elettroni di legame

16. Viscosità • La viscosità è la capacità che le molecole di un fluido hanno di opporsi allo scorrimento • Le forze di Van der Waals quindi sono responsabili della velocità di scorrimento del fluido • Ma l’olio è più viscoso dell’acqua! • Si deve considerare anche la massa e la complessità della struttura della molecola

17. Tensione superficiale • L’energia necessaria a penetrare la superficie di un liquido • È dovuta alla presenza di interazioni di Van der Waals tra le particelle di liquido • L’acqua ha una tensione superficiale elevata che • Rende difficile l’entrata in acqua ai tuffatori • Permette lo sci nautico a piedi nudi • Consente ad alcuni insetti di “camminare” sulla superficie • Causa il fenomeno del menisco e della capillarità