TEMA 5. Legame covalente. Metodo dei legami di valenza.

Compito 1. Per l’idrosolfato di sodio costruire la formula grafica e indicare i tipi di legame chimico nella molecola: ionico, covalente, polare, covalente non polare, coordinato, metallico, idrogeno.
Soluzione: NaHSO4-

Legame O – Na – ionico
Legame O – S – covalente polare
Legame O – H – covalente polare

Compito 2. Costruire la formula grafica del nitrito di ammonio e indicare i tipi di legame chimico in questa molecola. Mostrare quali legami “si rompono” durante la dissociazione. Spiegare cos’è un legame idrogeno? Dare esempi del suo effetto sulle proprietà di una sostanza.

N – H – legame covalente polare
Tra NH4+ e NO2- – legame ionico
Legami idrogeno. Questo tipo di legame si verifica con la combinazione di atomi di idrogeno con atomi aventi alta elettronegatività (N, O, F). I composti formati hanno una grande polarità, e si genera un dipolo, dove l'atomo di idrogeno si trova all'estremità positiva. Questo dipolo può interagire con una coppia elettronica non condivisa di ossigeno (e di azoto, o di fluoro), appartenente a un’altra molecola o alla stessa molecola. Questa interazione è chiamata legame idrogeno.
Il legame idrogeno può essere:

  • Intermolecolare, come nelle molecole di acqua (H2O), ammoniaca (NH3), acido fluoroidrogeno (HF)

  • Intramolecolare, ad esempio nelle proteine, nel 2-idrossibenzaldeide.
    Secondo il cambiamento delle masse molecolari nei seguenti gruppi:
    H2O – H2S – H2Se – H2Te
    HF – HCl – HBr – HI
    NH3 – AsH3 – SbH3
    La temperatura di ebollizione dovrebbe aumentare progressivamente, tuttavia, si osservano temperature di ebollizione anormalmente elevate per acqua (H2O), ammoniaca (NH3), acido fluoroidrogeno (HF), che sono spiegate dalla presenza di legami idrogeno.
    Il legame più forte dovrebbe essere nell’acido fluoroidrogeno (HF) (fluoro è l'elemento più elettronegativo), ma l’acqua bolle a una temperatura più alta, poiché l’acqua ha due legami idrogeno.

Compito 3. Indicare i tipi di legame chimico nelle seguenti molecole: CH3Br, CaO, I2, NH4Cl. Quali sono le proprietà principali di questi legami?
Soluzione:
CH3Br – legame covalente. Un legame covalente si forma tra atomi con valori di elettronegatività simili o uguali. Questo legame può essere considerato come l'attrazione elettrostatica tra i nuclei di due atomi e la coppia elettronica condivisa. A differenza dei composti ionici, le molecole covalenti sono tenute insieme da forze intermolecolari, che sono molto più deboli dei legami chimici. Pertanto, il legame covalente è caratterizzato da saturabilità: la formazione di un numero limitato di legami.
CaO – legame ionico. Gli atomi di un elemento cercheranno di ottenere una struttura stabile a otto elettroni, perdendo o acquisendo elettroni. Gli atomi che acquisiscono elettroni diventano anioni, mentre gli atomi che perdono elettroni diventano cationi. Quando anioni e cationi si incontrano, si forma un legame chimico chiamato legame ionico, e il composto è ionico. I composti ionici si formano quando atomi con una grande differenza di elettronegatività (superiore a 2,1) si legano. È logico supporre che quando un metallo si lega a un non-metallo, si forma un composto ionico a causa della grande differenza di elettronegatività.
I composti ionici tendono a formare strutture che, a loro volta, formano raggruppamenti più grandi, come LinClm. Questi aggregati sono chiamati cristalli. Questo accade perché il legame ionico non è caratterizzato da direzionalità e saturabilità.

I2 – legame covalente non polare. Se un legame covalente in una molecola è formato da atomi identici o atomi con la stessa elettronegatività, il legame non ha polarità, cioè la densità elettronica è distribuita simmetricamente. Questo legame è chiamato covalente non polare. I legami possono essere singoli, doppi o tripli.
NH4Cl – legame donatore-accettore. È un caso particolare di legame covalente in cui un atomo agisce come donatore di una coppia elettronica e l'altro atomo come accettore (fornendo un'orbitali vuota). Questo legame è anche noto come legame coordinato, poiché si forma spesso durante la formazione di composti complessi. Quando si forma un legame donatore-accettore, la nuvola elettronica dell'atomo accettore si riempie con una coppia di elettroni. Oltre agli atomi e alle molecole, anche cationi e anioni possono fungere da donatori e accettori. Quando si forma il legame, l'atomo donatore acquista una carica positiva, mentre l'atomo accettore una carica negativa.
Tra NH4+ e Cl- c'è un legame ionico. Tra azoto e idrogeno ci sono legami covalenti polari e uno donatore-accettore.

Compito 4. Cos’è un legame s e cos’è un legame p? Quale tra i due è meno forte? Rappresentare le formule strutturali dell’etano C2H6, dell’etilene C2H4 e dell’acetilene C2H2. Indicare i legami s e p nelle strutture degli idrocarburi.
Soluzione:
Il sovrapposizione dei lobi orbitali può avvenire in vari modi, a causa delle diverse forme degli orbitali. Si distinguono legami σ, π e δ.

Il legame sigma (σ) si forma dalla sovrapposizione dei lobi lungo la linea che passa per i nuclei degli atomi. Il legame pi (π) si forma dalla sovrapposizione laterale dei lobi degli orbitali p. Il legame delta (δ) si forma dalla sovrapposizione di tutti e quattro i lobi degli orbitali d disposti in piani paralleli.
Il legame sigma è più forte del legame pi.
C2H6 – ibridazione sp3.
C-C legame σ (sovrapposizione di orbitali 2sp3-2sp3)
C-H legame σ (sovrapposizione di orbitali 2sp3-1s)
C2H4 – ibridazione sp2.
Il doppio legame è formato da due tipi di legami: σ e π (anche se sono rappresentati con due linee uguali, si deve sempre tenere conto della loro non equivalenza).
Legame σ tra orbitali sp2 ibridati. Legame π tra orbitali p laterali.
C=C legame σ (sovrapposizione di orbitali 2sp2-2sp2) e legame π (2pz-2pz)
C-H legame σ (sovrapposizione di orbitali 2sp2-1s)
C2H2 – ibridazione sp.
Il triplo legame è composto da un legame σ e due legami π.
C≡C legame σ (sovrapposizione di orbitali 2sp-2sp);
π-legame (2py-2py);
π-legame (2pz-2pz);
C-H legame σ (sovrapposizione di orbitali 2sp-1s).

Compito 5. Quali forze di interazione intermolecolare sono chiamate dipolo-dipolo (orientazionale), induttive e di dispersione? Spiegare la natura di queste forze. Qual è la natura delle forze prevalenti di interazione intermolecolare in ciascuna delle seguenti sostanze: H2O, HBr, Ar, N2, NH3?
Soluzione:

Tra le molecole possono verificarsi interazioni elettrostatiche. La più universale è quella di dispersione, che è dovuta all'interazione tra molecole grazie ai loro dipoli istantanei. La loro apparizione e scomparsa simultanea in diverse molecole facilita l'attrazione. In assenza di sincronizzazione, le molecole si respingono.
L'interazione orientazionale si verifica tra molecole polari. Più una molecola è polare, maggiore è la forza di attrazione tra le molecole e, di conseguenza, maggiore è l’interazione orientazionale.
L'interazione induttiva si verifica quando due molecole, una polare e l’altra non polare, si incontrano e si deforma la molecola non polare, creando un dipolo. Il dipolo indotto può attrarre il dipolo permanente di una molecola polare.
L'interazione induttiva è più forte quanto più grande è il momento elettrico e la polarizzabilità della molecola.
Il contributo relativo di ogni tipo di interazione dipende dalla polarità e dalla polarizzabilità delle molecole. Più la molecola è polare, maggiore sarà l'importanza delle forze orientazionali; maggiore è la polarizzabilità, maggiore sarà l’influenza delle forze di dispersione. Le forze induttive dipendono da entrambi i fattori, ma solitamente hanno un ruolo secondario.
Tra le sostanze forze orientazionali e induttive si verificano nelle molecole polari come H2O e NH3. Le forze di dispersione sono presenti in molecole non polari e debolmente polari come HBr, Ar, N2.

Compito 6. Fornire due diagrammi di riempimento degli orbitali molecolari durante l'interazione di due orbitali atomici con i seguenti riempimenti: a) elettrone + elettrone (1+1) e b) elettrone + orbitali vuoti (1+0). Determinare la covalenza di ogni atomo e l'ordine di legame. Qual è l'energia di legame? Quali legami si trovano nella molecola di idrogeno H2 e nello ione molecolare?

Soluzione:
a) Consideriamo, ad esempio, K2 e Li2. Durante la formazione del legame sono coinvolti orbitali s. L'ordine di legame: n = (2-0)/2 = 1
b) Consideriamo, ad esempio, K2+ e Li2+. Sono coinvolti orbitali s nella formazione del legame: n = (1-0)/2 = 0,5. La covalenza di ogni atomo è 1.
L'energia di legame dipende dal numero di elettroni di valenza: più pochi sono gli elettroni, più bassa è l'energia di legame. In K2 e Li2 e K2+ e Li2+, l'energia di legame è nell’intervallo 200-1000 kJ/mol.
Nella molecola H2 si realizza il legame del tipo elettrone + elettrone, mentre nello ione molecolare H2+ il legame è di tipo elettrone + orbitali vuoti.

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