Valitutti, Falasca, Amadio Chimica · 2020. 3. 10. · 7 Molecole polari e non polari Ogni legame...

Valitutti, Falasca, Amadio

Chimica:concetti e modelliSeconda edizione

Capitolo 13

Le forze intermolecolari

e gli stati condensati

della materia

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Sommario

1. Le attrazioni tra le molecole

2. Molecole polari e non polari

3. Le forze dipolo-dipolo e di London

4. Il legame a idrogeno

5. Legami a confronto

6. La classificazione dei solidi

7. La struttura dei solidi

8. Le proprietà intensive dello stato liquido

Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed © Zanichelli editore 2018

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Le attrazioni tra le molecole

Le forze intermolecolari sono forze di natura elettrostatica

che mantengono le molecole vicine tra loro. Fra le molecole

c’è spazio vuoto.

Si possono classificare in tre diverse categorie

in ragione del tipo di forza che interviene tra esse:

• forze dipolo-dipolo;

• forze di London;

• legami a idrogeno.


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Molecole polari e non polari

La polarità di una molecola dipende sia dalla presenza

di legami covalenti polari sia dalla sua geometria.

Una molecola che presenta legami covalenti puri,

qualunque sia la geometria molecolare, è una molecola

non polare.


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Ogni legame covalente polare origina un dipolo elettrico,

che è caratterizzato dal suo momento dipolare, μ, una

grandezza vettoriale che ha intensità tanto

maggiore quanto più grandi sono q e d.

L'unità di misura è il debye (D).

Una molecola è polare se la somma dei momenti dipolari

di tutti i suoi legami è diversa da zero.


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I solventi non polari sciolgono composti non polari,

i solventi polari solubilizzano molecole polari.


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Le forze dipolo-dipolo e di London

L’esistenza della materia condensata (solidi e liquidi) di

natura molecolare dipende dall’intensità delle forze

elettriche di coesione che uniscono le molecole.

I legami elettrostatici tra dipoli permanenti sono chiamati

forze dipolo-dipolo.


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Le forze di London sono dovute all’attrazione tra i dipoli

temporanei di molecole vicine.


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I legami elettrostatici tra dipoli permanenti o temporanei

sono chiamati forze di Van der Waals.

La loro intensità decresce

molto rapidamente con la

distanza tra le molecole;

aumenta, invece,

al crescere

delle dimensioni

e della massa delle molecole.


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Il legame a idrogeno


Il legame a idrogeno è una forza attrattiva che si stabilisce

tra molecole che contengono un atomo di idrogeno, legato

covalentemente a un atomo piccolo, molto elettronegativo

e con una coppia elettronica libera (N, O, F).

Il legame a idrogeno è la più intensa forza attrattiva

intermolecolare, ma è circa dieci volte più debole

di un legame covalente.

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Il legame a idrogeno

Il legame a idrogeno è in grado di influenzare nettamente

le proprietà fisiche delle sostanze in cui è presente.


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Legami a confronto

Il termine forza di legame è collegato all’energia necessaria

per allontanare l’una dall’altra le particelle legate; è quindi la

scala energetica che stabilisce quale sia il più forte e il meno

forte dei legami chimici.

L’unità di misura per un singolo legame, è l’elettronvolt,

1 eV = 1,60 ∙ 10−19 J. Di solito si considera una mole di

legami, cioè 6,02 ∙ 1023

legami, perciò l’energia

è dell’ordine dei kJ.


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Legami a confronto

Forze interatomiche e intermolecolari a confronto.

L’ordine di grandezza delle interazioni intermolecolari

determina la miscibilità e la solubilità delle sostanze.


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La classificazione dei solidi

In base alla natura del legame che agisce fra gli atomi, le

molecole o gli ioni costituenti il loro reticolo, si conoscono

quattro tipi di cristalli:

• ionici;

• metallici;

• covalenti o reticolari;

• molecolari (polari e apolari).


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I cristalli ionici:

• sono sempre solidi a temperatura ambiente;

• hanno un alto punto di fusione;

• allo stato solido non conducono l’elettricità ma la conducono

allo stato fuso;

• le loro soluzioni acquose conducono discretamente

l’elettricità;

• si fratturano senza deformarsi.


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I cristalli metallici:

• hanno aspetto lucente, una superficie levigata e

attaccabile con acidi;

• sono in grado di assorbire la luce visibile di tutte le

frequenze, e gli elettroni mobili riemettono poi

rapidamente radiazione luminosa della stessa frequenza

e intensità;

• hanno buona conducibilità sia elettrica sia termica;

• hanno punti di fusione e valori di densità molto variabili;

• sono duttili e malleabili.


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Le leghe sono miscugli omogenei e le loro proprietà sono

intermedie rispetto a quelle dei metalli che le costituiscono,

ma non sempre. Il metallo presente in percentuale maggiore

è chiamato metallo base, mentre gli altri componenti sono

detti alliganti.

• Quando le dimensioni degli atomi sono diverse, si parla di

leghe interstiziali.

• Quando le dimensioni degli atomi sono simili, si formano

leghe sostituzionali.


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Un esempio di A lega

sostituzionale (Au-Cu)

e B lega interstiziale (Fe-C).

Alcune leghe sono dei miscugli eterogenei come le leghe

brasanti, leghe di stagno e piombo.

Molti metalli, come l’oro e il rame, si sciolgono nel mercurio.

La soluzione dei metalli in mercurio si chiama amalgama.


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I solidi covalenti o reticolari:

• sono caratterizzati da una rete tridimensionale di legami

covalenti che uniscono gli atomi di cui essi sono costituiti;

• non sono buoni conduttore di elettricità, a eccezione della

grafite;

• sono sempre solidi a temperatura ambiente;

• hanno punti di fusione elevatissimi;

• sono estremamente duri e molti di essi sono considerati

pietre preziose;

• sono insolubili in acqua e in qualsiasi altro solvente.


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I solidi molecolari apolari:

• sono costituiti da molecole apolari, tenute vicine le

une alle altre dalle deboli forze di Van der Waals:

• spesso occorrono basse temperature per osservare tali

sostanze allo stato solido poiché anche una debole

agitazione termica delle molecole impedisce a queste

sostanze di solidificare;

• hanno in genere una spiccata tendenza a sublimare;

• sono solubili in solventi apolari e insolubili, o quasi, in

acqua.


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A La naftalina sublima a temperatura ambiente.

B Lo iodio è solubile in un solvente apolare come il

tetracloruro di carbonio.


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I solidi molecolari polari:

• sono costituiti da molecole polari che si attraggono con

legami dipolo-dipolo (per esempio P4O10) o con legami a

idrogeno (ghiaccio, zucchero);

• hanno punti di fusione bassi e allo stato fuso non

conducono l’elettricità;

• sono solubili in acqua o in solventi discretamente polari,

come l’alcol;

• le loro soluzioni acquose non conducono, in genere,

l’elettricità.


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Sono solidi molecolari polari molti composti organici,

come A il fruttosio, uno zucchero presente nel miele e

l’acido benzoico B che viene usato come conservante

(indicato con la sigla E210) nelle confetture.


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La struttura dei solidi

Gli studi con i raggi X permettono di esplorare la struttura

interna dei cristalli e portano, agli inizi del Novecento,

Max von Laue a confermare l’ipotesi, formulata già

nel Settecento, del mineralogista francese René J. Haüy:

i cristalli sono formati da unità minime che si ripetono nelle

tre dimensioni dello spazio.


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Esistono due tipi di solidi:

• cristallini in cui gli atomi, le molecole o gli ioni

sono disposti ordinatamente e fondono a una precisa

temperatura;

• amorfi in cui le particelle microscopiche sono distribuite

in modo disordinato e non effettuano il passaggio di stato

a una temperatura definita, ma in un intervallo

di temperatura in cui la sostanza diventa sempre più fluida.


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La disposizione geometricamente regolare delle particelle,

che si ripete in modo indefinito nelle tre dimensioni spaziali,

prende il nome di reticolo cristallino.

La cella elementare è l’unità più piccola che, ripetuta

nelle tre dimensioni dello spazio, genera l’intero cristallo.


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Atomi diversi per dimensioni e struttura elettronica danno

origine a reticoli cristallini diversi che si possono però

ricondurre a quattordici

tipi di celle elementari,

chiamate

reticoli di Bravais,

raggruppabili

in sette sistemi

cristallografici.


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Le sostanze polimorfe, elementi o composti, possono

cristallizzare in modi diversi a seconda delle condizioni in

cui avviene il processo di cristallizzazione.

Quando la sostanza polimorfa è un elemento, si dice che

essa presenta più forme allotropiche.

Il termine allotropo si estende anche agli elementi liquidi

e gassosi.

Le sostanze isomorfe sono in grado di cristallizzare

nella stessa forma pur essendo di natura diversa.


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Tra le sostanze polimorfe, il carbonato di calcio, CaCO3 può

cristallizzare nel sistema trigonale (calcite) o in forma di

prismi rombici (aragonite).

Tra le sostanze isomorfe, dal corindone, Al2O3,

si origina il rubino per sostituzione di qualche

ione Al3+ con ioni Cr3+

o lo zaffiro per sostituzione

con ioni Ti3+ e Fe3+.


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Diamante, grafite e fullereni sono tre allotropi del carbonio

che presentano diverse strutture e quindi diverse proprietà.

Il diamante:

• è costituito da atomi di carbonio che utilizzano orbitali ibridi

sp3 per formare legami covalenti con quattro atomi di

carbonio disposti ai vertici di un tetraedro;

• è un materiale rigido, trasparente;

• non conduce la corrente elettrica;

• è un ottimo conduttore di calore.


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La grafite:

• è costituita da atomi di carbonio ibridati sp2 che generano

strati a struttura esagonale (un singolo strato è detto

grafene). Gli orbitali p non ibridati dei singoli atomi

si sovrappongono e permettono agli elettroni

di muoversi liberamente lungo i piani, per cui

è un discreto conduttore di elettricità;

• ha proprietà lubrificanti perché le lamine di atomi

di carbonio sono unite da deboli forze di Van der Waals,

quindi possono facilmente scorrere l’una sull’altra.


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Il fullerene:

• più stabile è costituito da molecole sferiche di formula

C60 ed è chiamato buckminsterfullerene, presenta 32

facce: 20 a forma di esagono e 12 a forma di pentagono

(che garantiscono una migliore curvatura della superficie,

perché si distorcono più facilmente rispetto

a quelle esagonali;

• forma molecole di formula C70 e C36;

• è un solido molecolare solubile in solventi

come il benzene.


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Un’altra forma allotropica del carbonio è rappresentata

dai nanotubi, bucky tubes:

• hanno una forma tubolare allungata, costituita da anelli

esagonali di atomi di carbonio;

• possono essere chiusi all’estremità

da anelli pentagonali;

• hanno una bassa densità,

• hanno un’eccellente resistenza

alle sollecitazioni meccaniche;

• conducono la corrente elettrica.


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Le proprietà intensive dello stato liquido

Le proprietà dello stato liquido sono difficili da prevedere e,

ancora oggi, mancano modelli matematici adatti a descrivere,

in termini quantitativi, uno stato della materia così denso e

disordinato; comunque, molte dipendono dalla natura delle

forze di coesione.

Proprietà intensive di alcune sostanze a 20 °C.


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La tensione di vapore (o pressione di vapore) di un liquido

esprime la tendenza delle sue molecole a passare allo stato

gassoso. A parità di temperatura, la facilità con cui le

molecole sfuggono dal proprio liquido, dipende dall’intensità

delle loro forze attrattive.

La tensione superficiale è la tendenza delle molecole della

superficie a lasciarsi attrarre verso l’interno ed è tanto

maggiore tanto più intense sono le forze attrattive

tra le molecole del liquido.


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La tensione di vapore cresce all’aumentare della temperatura

mentre la tensione superficiale diminuisce perché l’agitazione

termica è maggiore.

La viscosità è una proprietà intensiva posseduta da tutti

i fluidi (liquidi e gas), che esprime la resistenza

allo scorrimento. A parità di dimensioni delle molecole

la viscosità aumenta all’aumentare delle forze

intermolecolari. I liquidi con alta viscosità sono detti

liquidi viscosi.


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A Il quarzo è un solido cristallino. B Il vetro è un solido

amorfo.


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