IL LEGAME CHIMICO FACILE

22 Luglio 2018 | giochi della chimica 2012 fase nazionale classi A-B | di misefari | 0 Commenti
Download PDF

La Natura ha un obiettivo molto semplice : tende sempre ad unire due parti che da sole sono instabili . Dire  che tra due (o più) elementi si verifica un legame, significa dire che due (o più) elementi da soli sono instabili e tendono sempre ad unirsi. Da cosa dipende la stabilità di un elemento chimico e la tendenza ad unirsi ad un altro quindi a “reagire”? La risposta dipende esclusivamente da come  e da cosa  essi sono costituiti cioè da quella che chiamiamo struttura di un atomo.

COME E’ FATTO UN ATOMO ?

Devi immaginare un atomo come un palazzo e tutti gli atomi sono costruiti allo stesso modo cioè con lo stesso numero e tipologia di stanze. Ti chiederai “ma perchè un atomo si chiama ossigeno, un altro idrogeno, un altro azoto ecc. se presentano tutti la stessa costruzione?” La risposta è semplice : dipende dal numero di abitanti che occupano il palazzo questi abitanti del palazzo atomo si chiamano elettroni.

Le stanze del palazzo ATOMO sono costituite da poche camere che prendono il nome di orbitali:

PRIMO PIANO:

vi è 1 sola stanza

stanza chiamata orbitale  1S (PRIMA STANZA)che possiamo immaginare come un quadrato

 ORITALE 1S

SECONDO PIANO

è costituito da 4 stanze una singola chiamata 2S (il 2 indica il piano) e 3 camere situate poco sopra quest’ultima,(1 piccolo gradino sopra) chiamate 2P

(2Px 2Py 2Pz)

    

2s                     2Px                  2Py               2Pz

TERZO PIANO

costituito da una camera 3 S (il 3 indica il piano)  3 camere 3P   e 5 camere 3 d

3S                    3Px                   3Py                   3Pz                     3d1                    3d2                    3d3                  3d4                  3d5

le camere p sono leggermente sopra le s e le d sono leggermente sopra le d

QUARTO PIANO

costituito da 4S  4Px 4Py 4Pz      4d14d23d34d44d5       4f1 4f24f34f44f54f64f7

le camere f sono leggermente sopra le d

Che significa che le camere si trovano leggermente sopra? Con questo vogliamo indicare che man mano che si sale abbiamo bisogno di  più energia quindi :

l’energia dell’orbitale 1S è più bassa di quella 2S così l’orbitale 2S ha energia più bassa di quella del 2P

Gli orbitali Px.Py e Pz hanno però tra loro energia uguale ( si dicono infatti degeneri) ma hanno energia più bassa del 3S che ha energia più bassa dei 3P a loro volta con energia più bassa dei 3d (anche questi orbitali hanno tra loro uguale energia e sono detti degeneri come i 2P e 3P) e così via.

La cosa più interessante è che ogni camera può ospitare al massimo 2 abitanti (cioè un orbitale può contenere al massimo 2 elettroni:principio di esclusione di Pauli). 

Vediamo adesso come si chiamano gli atomi e quanti elettroni possiedono.

l’idrogeno il cui simbolo è H possiede 1 solo elettrone ed ovviamente nel palazzo atomo questo elettrone si posiziona nella prima stanza disponibile cioè l’orbitale 1S  (indichiamo ciò con il simbolo 1S1 ) ed indichiamo l’elettrone con una freccia ↑ all’interno del quadrato 1S

pertanto l’atomo IDROGENO si rappresenta con il simbolo H oppure con la sua struttura 1S1  oppure con un quadrato con all’interno una freccia.

l’ELIO che è un gas cosiddetto nobile possiede 2 elettroni pertanto essi occupano la prima delle stanze ed i 2 elettroni si rappresentano con due frecce all’interno di un quadrato ed in questo caso esse hanno le punte rivolte una vero l’alto e l’altra verso il basso (questo perchè gli elettroni ruotano sul loro asse uno verso destra e l’altro verso sinistra). Possiamo indicare l’elio con la struttura 1S2

il LITIO possiede 3 elettroni per cui 2 occupano il primo orbitale (1S) ed il terzo elettrone  occupa l’orbitale 2S

la struttura del litio simbolo Li è 1S2 2S1

il Berillio simbolo Be ha 4 elettroni quindi la ua struttura è 1S2 2S2

il Boro simbolo B ha 5 elettroni per cui seguendo questo metodo di riempimento si ha la struttura  1S2 2S2 2Px1

il carbonio ha 6 elettroni ma il riempimento degli orbitali P (come quelli d ed f ) segue un diverso andamento.Infatti gli orbitali P si riempiono tutti inizialmente con 1 solo elettrone poi se un atomo ha altri elettroni essi vanno ad occupare gli orbitali P a due a due. In relazione a ciò allora il Carbonio simbolo C ha la struttura  1S2 2S2 2Px1 2Py1

l’Azoto simbolo N  possiede 7 elettroni e la sua struttura è quindi  1S2 2S2 2Px1 2Py12Pz1

l’Ossigeno simbolo O possiede 8 elettroni e questa struttura 1S2 2S2 2Px2 2Py1 2Pz1

il Fluoro simbolo F possiede 9 elettroni  be quest struttura  1S2 2S2 2Px2 2Py2 2Pz1

il Neon simbolo Ne possiede 10 elettroni e la seguente struttura  1S2 2S2 2Px2 2Py2 2Pz2

RIASSUMENDO ABBIAMO LE STRUTTURE SEGUENTI:

H    1S1

He  1S2

Li    1S2 2S1

Be   1S2 2S2

B   1S2 2S2 2Px1

C   1S2 2S2 2Px1 2Py1

N   1S2 2S2 2Px1 2Py12Pz1

O   1S2 2S2 2Px2 2Py1 2Pz1

F  1S2 2S2 2Px2 2Py2 2Pz1

Ne 1S2 2S2 2Px2 2Py2 2Pz2

ecc.

COSA SI PUO’ DEDURRE DA QUESTA STRUTTURA?

se osserviamo attentamente le strutture scritte sopra ci accorgiamo che alcuni elementi possiedono elettroni non accoppiati negli orbitali più esterni, per esempio l’H ha 1 elettrone non accoppiato così come Li il C ,O , N . orbene:

SE UN ATOMO POSSIEDE ELETTRONI NON ACCOPPIATI E’ INSTABILE E TENDE AD ACCOPPIARE OGNI ELETTRONE

DUE ELETTRONI ACCOPPIATI FORMANO UN LEGAME CHIMICO 

PERTANTO L’UNIONE TRA DUE ELETTRONI COSTITUISCE UN LEGAME CHIMICO

SE PRENDIAMO L’ AZOTO VEDIAMO CHE E’ INSTABILE:

INFATTI, SE SI TROVA ACCANTO AD UN ALTRO ATOMO DI AZOTO ACCOPPIA GLI ELETTRONI SPAIATI FORMANDO COSI’ UNA MOLECOLA DI AZOTO.

N          1S2 2S2 2Px1 2Py12Pz1

                            2Px1 2Py12Pz2S1S2    N

l’orbitale 2Px del primo atomo di azoto contenente 1 elettrone si sovrappone all’orbitale 2px  del secondo atomo che contiene un elettrone e mettono in comune  2 elettroni  formando un  legame. La stessa cosa avviene con gli orbitali 2Py e 2Pz che si sovrappongono formando altri 2 legami quindi in totale si formano 3 legami ognuno dei quali è costituito da due elettroni .

SI FORMA LA MOLECOLA N≡ N (si è formato un legame TRIPLO)

ANALOGAMENTE L’OSSIGENO FORMA LA MOLECOLA  O2

l’ossigeno ha 8 elettroni

      O    1S2 2S2 2Px2 2Py2Pz1                                  

                                    2Py1 2Pz1  2Px2 1S22S2   O

in questo caso si sovrappongono 2 orbitali che contengono 1 elettrone 2Py e 2Pz dei due atomi ognuno contenente 1 elettrone. Si formano così 2 legami   e si forma la molecola di O2 cioè O=O. Si è formato un legame doppio.

Come si può notare, la formula della molecola di N deve necessariamente essere N2 e non potrà mai essere N3 o N4 perchè gli elettroni spaiati sono solo 3 e quindi 3 possono essere i legami per accoppiamento con 3 elettroni provenienti dall’altro atomo di N quindi non sono possibili altri accoppiamenti di elettroni ed analogo ragionamento può esser fatto per la molecola di O2.

Se mettiamo vicini l’ossigeno e l’idrogeno    cioè H ed O abbiamo:

1S2 2S2 2Px2 2Py1 2Pz1

                                1S1       1S1      

                                  H          H

i due elettroni dell’ ossigeno possono accoppiarsi solo con altri 2 elettroni quindi se mettiamo vicini ossigeno ed idrogeno poichè quest’ultimo possiede 1 solo elettrone, per accoppiare i 2 elettroni dell’ossigeno sono necessari 2 atomi di idrogeno che  formano la molecola H2O (ecco perchè l’acqua ha formula H2O e non può avere altre formule come H3O oppure H5O …..).

Analoga spiegazione si può fare per la molecola di ammoniaca NH3 (prova a farla tu)

Questo tipo di legame che avviene per sovrapposizione di orbitali si definisce LEGAME COVALENTE.

Non sempre in natura si osserva la sovrapposizione degli orbitali per accoppiare gli elettroni, può succedere, infatti,che un atomo tenda ad espellerlo dall’orbitale in cui è contenuto (generalmente un orbitale esterno di tipo s ) ed un altro atomo con un elettrone non accoppiato lo accolga.

Se prendiamo ad esempio  il sodio Na, lo poniamo vicino al  fluoro F , e ne osserviamo la struttura elettronica, notiamo che ambedue possiedono elettroni spaiati però in questo caso sappiamo che il Fluoro ha una fortissima tendenza ad attirare a sè un elettrone (questa caratteristica è chiamata elettronegatività)  e cercherà di staccarlo dal sodio che a sua volta tende a cedere l’unico elettrone esterno spaiato perchè così facendo gli rimarranno tutti gli elettroni accoppiati (tanto che ci vuole una piccola quantità di energia per staccare l’elettrone, energia  che viene chiamata energia di ionizzazione)  e così facendo Na espelle una carica negativa e pertanto,DA ATOMO NEUTRO, adesso si carica positivamente divenendo Na+ (chiamato ione sodio) mentre il F che accetta l’elettrone (che è una carica negativa) si carica a sua volta negativamente e diviene F-(ione fluoro).Si creano così due cariche elettriche di segno opposto  che si attraggono  formando un legame che viene definito LEGAME  IONICO (PERCHE’ SI FORMANO IONI Na+ ed F- CHE SI ATTRAGGONO ESSENDO DI SEGNO OPPOSTO).

Gli atomi che allo stato naturale non possiedono elettroni spaiati, sono tutti in forma gassosa e vengono definiti GAS NOBILI proprio perché non reagiscono avendo già tutti gli elettroni accoppiati.

Il numero di elettroni non accoppiati di un atomo viene indicato in genere col termine di VALENZA  dell’atomo.

l’IDROGENO E’ MONOVALENTE PERCHE’ POSSIEDE 1 ELETTRONE SPAIATO DISPONIBILE PER FORMARE UN LEGAME, L’AZOTO HA 3 ELETTRONI SPAIATI ED E’ QUINDI TRIVALENTE , L’OSSIGENO HA 2 ELETTRONI SPAIATI ED È QUINDI BIVALENTE ECC.

SE UN ATOMO TENDE A CEDERE L’ELETTRONE SI DICE CHE HA VALENZA POSITIVA MENTRE SE IN GENERE L’ACCETTA SI DICE CHE HA VALENZA NEGATIVA. AD ES. IL SODIO E’ MONOVALENTE POSITIVO (Na+) IL FLUORO F E’ MONOVALENTE NEGATIVO.

Questi due tipi di legame rappresentano due esempi estremi di legame che si verificano IN NATURA, in quanto possiamo certamente asserire che  esistono legami covalenti in cui vi può essere una piccola percentuale di legame ionico e viceversa. Per esempio consideriamo la molecola di HCl  : se questo acido si trova in soluzione acquosa forma certamente ioni  (H+  e Cl-) ma allo stato gassoso forma un legame covalente H-Cl. Tuttavia, essendo il cloro molto più elettronegativo dell’idrogeno (cioè il cloro tende ad attrarre verso di sè gli elettroni del legame) la nuvola elettronica dei 2 elettroni che formano il legame H-Cl è più spostata verso il cloro determinando su quest’ultimo una parziale carica negativa lasciando sull’idrogeno una parziale carica positiva.

La formazione di piccole cariche frazionarie che si indicano con δ+ e δ-  hanno spesso grande importanza in chimica organica perchè ci indicano come possono reagire le molecole infatti i gruppi con segno negativo reagiscono con quelle parti di molecola che presentano carica di segno opposto anche se frazionaria.

 

 

 

 

print
   Send article as PDF   

Lascia una risposta

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

*

19 + = twenty six