Legame chimico - generalità

LEGAME CHIMICO:GENERALITA’
Maria Grazia Volpe
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J. G. Smith Chimica Organica, McGraw-Hill, Milano
T.W. Graham Solomons Chimica Organica, Zanichelli, Bologna.
D’Auria, Scafati, Zampella, Guida ragionata allo svolgimento di Esercizi di Chimica
Organica, Loghìa, Napoli
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Chimica Organica
Definizione
La chimica organica è la chimica
dei composti contenenti carbonio
La chimica dei composti contenenti legami carbonio-carbonio
Il carbonio è l’unico elemento capace di legarsi fortemente con se stesso e formare
lunghe catene o anelli e allo stesso tempo capace di legarsi fortemente con elementi
non metallici come idrogeno, ossigeno, azoto e con gli alogeni.
Per queste sue proprietà questo elemento dà origine a miriadi di composti (sono
noti diversi milioni di composti, corrispondenti a circa il 98% di tutte le sostanze
chimiche note, e il loro numero continua a crescere)
Composti organici
Composti inorganici
Generalità
Fino al 1828 i chimici erano convinti che i composti si dividessero
dividessero in due categorie o classi ben
distinte: composti inorganici, provenienti dal mondo minerale, come
come per esempio il sale da cucina
estratto dalle miniere o dalle acque marine, il cloruro di sodio,
sodio, e composti organici, provenienti
dagli organismi viventi sia animali che vegetali, come per esempio
esempio lo zucchero ottenuto dalla
barbabietola o dalla canna da zucchero.
I composti inorganici e organici non si differenziano solo per la diversa origine, ma anche per le
loro proprietà: le molecole inorganiche si decompongono con più difficoltà, ad esempio è
necessario arrivare a temperature molto elevate prima che i sali si decompongano; le molecole
organiche, al contrario, si decompongono facilmente, ad esempio lo zucchero si degrada a
carbonio e acqua quando viene scaldato eccessivamente
In passato, i chimici conoscevano diverse proprietà di alcune sostanze organiche e sapevano
anche manipolarle e trasformarle: sapevano, ad esempio, estrarre l’alcol dalla frutta, alcuni
zuccheri dalle piante, numerose sostanze medicamentose e numerosi coloranti. Tuttavia, a
nessuno era mai venuto in mente di riprodurre queste sostanze in laboratorio ma tutti si erano
limitati a utilizzare ciò che il mondo vivente e minerale potesse offrire. Infatti, una
particolarità della storia della chimica è la difficoltà che i primi chimici incontrarono a sintetizzare
composti organici in laboratorio. In effetti, la sintesi dei composti organici presenta maggiori
difficoltà a differenza di molti derivati inorganici che al contrario possono essere sintetizzati
facilmente.
Sviluppo della Chimica Organica
Teoria del Vitalismo
Le difficoltà nella sintesi organica e il fatto che tali composti derivassero dagli organismi viventi portarono i
primi chimici a ipotizzare che fosse una forza vitale (in latino vis vitalis) il potere mistico o soprannaturale
che permetteva la loro sintesi. Questa teoria, nota con il nome di vitalismo, sembra spiegare la causa per la
quale i chimici del XVIII secolo erano incapaci di sintetizzare in laboratorio materiale organico. La
teoria del vitalismo crollò definitivamente grazie a un esperimento eseguito in Germania nel 1828 da un
chimico tedesco, Friedrich Wohler (1800-1882).
Una nota storica: sintesi del primo composto organico
(l'urea) partendo da sostanze inorganiche.
NH4OCN
Cianato d’ammonio
O
H2NCNH2
Urea
Nel 1828 Friedrich Wöhler scoprì che quando
l’ammonio cianato era dissolto in acqua calda, si
convertiva ad urea.
L’ammonio cianato e l’urea sono isomeri costituzionali
di CH4N2O.
L’ammonio cianato è “inorganico.” L’Urea è “organica.”
Wöhler ha il merito di aver contribuito a scardinare la
teoria del “vitalismo.”
Cenni storici
1828 Wohler ottiene l’urea per riscaldamento del cianato
d’ammonio
1860 Cannizzaro fa la distinsione tra formule empiriche e
formule molecolari
1861 Kekulè, Couper e Butlerov stabiliscono la tetravalenza
del carbonio. Sviluppano la “Teoria Strutturale” e per la prima
volta definiscono la chimica organica come studio dei
composti del carbonio
1874 Van’t Hoff e Le Bell introducono la terza dimensione
nello studio dei composti organici
Tavola degli elementi
1 s2
2 s2 2p2
6
C
IL CARBONIO
Il carbonio, appartenendo al quarto gruppo della tavola periodica, possiede quattro elettroni di
valenza e, perciò, può formare quattro legami che nella maggior parte dei composti organici
sono di tipo covalente. Esso è detto tetravalente proprio per i suoi quattro elettroni di valenza ed
è in grado di realizzare legami molto stabili e al fine di raggiungere l’ottetto ossia la
configurazione più stabile in quanto simile a quella del gas nobile (così detto perché non
reattivo) più vicino, il Neon
Questo dipende dalla posizione centrale che il carbonio occupa nella tavola periodica: non essendo
né fortemente elettronegativo né fortemente elettropositivo, forma legami covalenti con altri
atomi.
Oltre che con atomi di idrogeno, ossigeno e azoto, gli atomi di carbonio riescono a legarsi anche ad
altri atomi di carbonio, formando catene, anche molto lunghe, o anelli formati dal susseguirsi di
atomi di carbonio che assumono forme tridimensionali estremamente diverse tra loro; infatti
esistono molecole le quali, a parità di composizione chimica, differiscono totalmente per
struttura, proprietà chimiche e fisiche. Le molecole che si originano in questo modo sono
particolarmente stabili e, a temperatura ambiente, non reagiscono né con l’ossigeno né con
l’acqua.
La straordinaria capacità che il carbonio presenta di legarsi anche a se stesso con legami semplici,
doppi o tripli è riconducibile al fatto che orbitali ibridi concorrono alla formazione delle molecole.
Infatti, la disponibilità di un orbitale vuoto nel livello energetico di valenza permette al carbonio
tre tipi diversi di ibridazione, con formazione di orbitali sp3, sp2, ed sp
Struttura dell’atomo
Attorno al nucleo possono esserci al massimo 7
gusci con elettroni orbitanti.
Ogni guscio può contenere solo un numero
limitato di elettroni
Il cuore di un atomo è formato da un nucleo che è molto piccolo rispetto all'atomo, ma ne contiene quasi tutta
la massa. Le particelle che lo compongono sono i protoni e i neutroni.
neutroni. Il numero dei protoni del nucleo è il
numero atomico di un elemento; quello di protoni e dei neutroni insieme indica, invece, il numero di massa.
Gli elettroni, che sono esterni al nucleo, sono numericamente uguali
uguali ai protoni, ma hanno una massa molto
piccola.
ISOTOPI
Atomi che hanno lo stesso numero atomico
ma differente numero di massa
Es
1H
2H
3H
Z=1
12C
13C
14C
Z=6
98.89%
1.11%
tracce
Distribuzione degli elettroni nell’atomo
Configurazione elettronica
•Perché gli atomi si legano?
•Come si possono descrivere i legami elettronicamente?
•Perché gli atomi si legano?
Perché il composto risultante è più stabile
(formazione del legame
liberazione di energia)
Energie in gioco nella formazione
Di un legame chimico
bassa attrazione
a distanze elevate
Energia
Potenziale
H• + H•
H
Distanza Internucleare
H
le forze attrattive aumentano
più velocemente delle repulsive
quando gli atomi si avvicinano
Energia
Potenziale
H• + H•
H
H
H
H
Distanza Internucleare
H
H
la massima attrazione netta si ha
(minima energia potenziale)
a una distanza internucleare di =0,74 A
Energia
Potenziale
0,74 A
H• + H•
H
H
H
H
-104 kcal/mol
H2
Distanza Internucleare
H
H
le forze repulsive crescono più
rapidamente a distanze internucleari
minori di 0,74 A
0,74 A
H• + H•
Energia
Potenziale
H
H
H
H
-104 kcal/mol
H2
Distanza Internucleare
H
H
La chimica di molti elementi dei gruppi principali
è governata dalla loro tendenza ad assumere
la configurazione elettronica del gas nobile più
vicino
12
3
4567
Legami Ionici
Legame Ionico
Il legame ionico è la forza di attrazione elettrostatica
tra ioni di carica opposta
Na – eCl + e-
Na+
Cl-
Basso potenziale di ionizzazione
Alta affinità elettronica
Na+ (catione)
Cl– (anione)
Legame Ionico
I legami ionici sono comuni nei composti inorganici
ma rari in quelli organici.
Il carbonio mostra una minore tendenza a formare
cationi rispetto ai metalli, e una minore tendenza a
formare anioni rispetto ai non metalli.
Il Legame Covalente
Il Modello di Lewis dei Chimici Legami
Nel 1916 G. N. Lewis propose che gli atomi
si combinano in modo da raggiungere la piu’
stabile configurazione elettronica
La massima stabilità è raggiunta quando un
atomo è isoelettronico con un gas nobile.
Una coppia elettronica condivisa tra due atomi
costituisce il legame covalente.
Legame Covalente nell’ H2
Due atomi di idrogeno, ciascuno con 1 elettrone,
H.
.H
Possono condividere questi elettroni in un legame covalente.
H: H
Ciò conferisce all’idrogeno una configurazione
Elettronica simile all’elio.
Legame Covalente nell’ F2
Due atomi di fluoro, ciascuno con 7 elettroni di valenza,
..
..
. F:
: ..F .
..
possono condividere gli elettroni in un legame covalente.
.. ..
: ..
F : ..
F:
La condivisione degli elettroni conferisce al fluoro
una configurazione elettronica simile al neon
La Regola Dell’Ottetto
Nel formare i composti, gli atomi guadagnano,
perdono o condividono elettroni per assumere
una configurazione elettronica stabile
caratterizzata da otto elettroni di valenza.
.. ..
: ..
F : ..
F:
La regola dell’ottetto è la la più utile in casi che
coinvolgono legami covalenti per C, N, O, e F.
Esempio
Combinare un atomo di carbonio (4 elettroni di valenza) e
quattro atomi di fluoro (ognuno con 7 elettroni di valenza)
.
. C.
.
..
: ..
F.
per scrivere la struttura di Lewis per il composto CF4.
..
.. : ..F: ..
:
: ..F: C
.. : ..F
: ..F:
La regola dell’ottetto è soddisfatta sia per il carbonio
che per il fluoro .
Esempio
Il legame covalente è generalmente rappresentato
con una linea. Si può riscrivere
..
.. : ..F: ..
:
:
F
: ..F: C
..
..
: ..F:
..
: F:
..
come : ..
F
C
: ..F:
..
..F:
Doppi Legami eTripli Legami
Esempi Inorganici
..
..
: O: : C : : O:
..
:O
C
..
O:
Diossido di carbonio
H : C : :: N:
H
Acido cianidrico
C
N:
Esempi Organici
H
.. H
..
H: C :: C:H
H
Etilene
H
C
H
H
H : C : :: C:H
Acetilene
H
C
C
C H