Legami chimici e stati della materia

Le proprietà della materia non dipendono solo dal tipo e dalla forza dei legami che tengono uniti gli atomi o gli ioni, ma anche dalle interazioni che si stabiliscono tra le molecole. I legami deboli (o forze intermolecolari) sono quelle interazioni di natura elettrostatica  che si stabiliscono tra molecole della stessa specie, o di specie diverse, già formate. Le loro energie sono molto più basse rispetto a quelle dei legami forti, ma sono importanti nel determinare le proprietà fisiche dei composti.

I legami deboli comprendono:

- Il legame idrogeno (o ponte idrogeno) caratteristico dell’acqua negli stati condensati (solido e liquido) e che è il più forte tra i legami deboli

- Le forze di Van der Waals che riguardano molecole polari e non

Il legame idrogeno è caratteristico dell’acqua: trattandosi di una molecola contenente legami covalenti polari, l’atomo di ossigeno, parzialmente negativo, è in grado di   legare i due atomi di idrogeno di un’altra molecola.  Di conseguenza le molecole d’acqua, allo stato solido e allo stato liquido, sono tutte collegate tra loro. Il legame idrogeno spiega, per esempio, l’elevata temperatura di ebollizione dell’acqua rispetto a sostanze di struttura simile (per esempio H₂S). Per passare allo stato vapore è infatti necessario rompere i legami idrogeno. Il legame idrogeno  è presente in poche altre sostanze come HF ed NH₃, oltre che in macromolecole biologiche come proteine e acidi nucleici.

Legame idrogeno nell'acqua

Le  forze di Van der Waals, sono interazioni di natura elettrostatica  che si stabiliscono tra diversi tipi di molecole:

-          L’interazione dipolo-dipolo avviene tra molecole polari.

-          L’interazione dipolo-dipolo indotto avviene tra molecole polari e molecole inizialmente apolari (es. HCl e Cl₂) che subiscono una separazione di carica per effetto induttivo.

-          L’interazione dipolo istantaneo - dipolo indotto avviene tra molecole apolari (es. tra  molecole di Cl₂): una risulta temporaneamente polarizzata per effetto del moto degli elettroni, l’altra diventa polare per induzione. Queste interazioni si chiamano anche forze di London.

Rappresentazione di molecole polari e non polari e dell'interazione dipolo-dipolo

     

In questo video vengono illustrate le relazioni esistenti tra stati della materia e legami chimici:

https://www.youtube.com/watch?v=won68EanOkY 

L’energia di legame è la quantità di energia, riferita a una mole, necessaria per rompere un determinato tipo di legame.

Tipo di legame	Energia di legame (KJ/mol)
Ionico	400
Covalente	400
Metallico	40 - 120
Legame idrogeno	20 - 40
Forze di Wan der Waals	1 - 10

In quest’altro video vengono prese in esame le proprietà dell’acqua:

https://www.youtube.com/watch?v=2GUt6QlNbWU

Legami chimici forti

Quando si forma un legame tra atomi vuol dire che si stabilisce un’interazione tra gli elettroni che si trovano nell’ultimo livello energetico degli atomi coinvolti. Tali elettroni si chiamano elettroni di valenza.  Nella tavola periodica il gruppo VIII corrisponde ai gas nobili cioè a quella serie di gas che vengono definiti nobili proprio per la loro mancanza di reattività. Essi hanno l’ultimo livello energetico completo di elettroni e ciò spiega la loro stabilità. Quando gli atomi si legano tra loro tendono ad “assomigliare” ai gas nobili nel senso che tendono a circondarsi di 8 elettroni (regola dell’ottetto).

I legami forti si instaurano tra atomi oppure tra ioni e sono sostanzialmente di tre tipi: ionico, covalente, metallico. Nel video che segue vengono illustrati i legami ionici e covalenti:

https://www.youtube.com/watch?v=Xq4cTfoGJ-Y

Per stabilire dunque il tipo di legame che si stabilisce tra due atomi è necessario considerare prima una proprietà degli elementi chimici che si chiama elettronegatività. Essa è una misura della tendenza di ciascun atomo ad attirare gli elettroni coinvolti in un legame. Secondo la scala di elettronegatività di Pauling, l’elettronegatività è espressa da un numero adimensionale il cui valore più alto è  4. Questo valore corrisponde al fluoro che è l’elemento più elettronegativo. In generale l’elettronegatività aumenta da sinistra a destra lungo i periodi della tavola periodica, e si riduce lungo i gruppi dall’alto verso il basso.

La differenza di elettronegatività, tra gli atomi coinvolti in un legame è indicata con il simbolo D e consente di prevedere, con buona approssimazione, il tipo di legame che si forma:

Se D < 0,4 il legame è covalente puro

Se 0,4 < D < 1,9 il legame è covalente polare

Se D > 1,9 il legame è ionico

Per ripetere divertendosi:
https://www.youtube.com/watch?v=OnsQL_RYb3c

Simboli di Lewis

Per rappresentare la formazione dei legami chimici si può ricorrere ai simboli di Lewis. Questo tipo di rappresentazione è applicabile solo ai cosiddetti gruppi tipici della tavola periodica (quelli indicati con un numero romano da I a VIII)  per i quali il numero degli elettroni di valenza corrisponde esattamente al gruppo di appartenenza dell’elemento e di conseguenza il massimo numero di elettroni di valenza è proprio 8.

Simboli di Lewis degli elementi del secondo periodo

Esempio:

Il CCl₄ (tetracloruro di carbonio) contiene  1 atomo di carbonio e 4 atomi di cloro.

Il C appartiene al IV gruppo della tavola e avrà 4 puntini nel simbolo di Lewis, il Cl appartiene al VII gruppo e avrà 7 puntini nel simbolo di Lewis. La differenza di elettronegatività è pari a 0,61, quindi tra i due atomi si formano legami covalenti polari. Mettendo insieme i simboli di Lewis di un atomo di C e di quattro atomi di Cl si ricava facilmente che il carbonio mette in comune  ciascuno dei quattro elettroni di valenza con l’elettrone spaiato di un atomo di cloro. Si formano così 4 legami covalenti e tutti gli atomi raggiungono l’ottetto elettronico.

Si possono usare i simboli di Lewis anche per rappresentare la formazione del legame ionico come quello che si trova nel cloruro di sodio:

Nel video che segue si parla ancora di elettroni di valenza e simboli di Lewis:

Il legame metallico

Nei metalli il legame è dovuto alla dislocazione di tutti gli elettroni di valenza. In pratica gli ioni metallici occupano posizioni fisse all’interno del reticolo, mentre gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi. La mobilità della nube elettronica che avvolge i cationi spiega molte proprietà dei metalli come la conducibilità termica ed elettrica e la lavorabilità.

Legame metallico

La tavola periodica

Tutti gli elementi chimici sono ordinati nella tavola periodica secondo il loro numero atomico.

La classificazione degli elementi oggi utilizzata è stata proposta dal russo Dmitrij Mendeleev   nel 1869. Nel video che segue viene spiegato il concetto di "periodicità":

https://www.youtube.com/watch?v=-qCEdpbrdJ0

La tavola si compone di sette righe orizzontali dette periodi, indicate con i numeri ordinali da 1° a 7°

E diciotto righe verticali dette gruppi, indicate con i numeri da 1 a 18. Ogni elemento può essere individuato da una coppia di coordinate che il dicano nell’ordine il periodo e il gruppo di appartenenza. Per esempio le coordinate - 4° periodo, gruppo 14 - corrispondono al germanio (Ge).

I gruppi presentano una doppia numerazione: i primi due e gli ultimi sei vengono indicati anche come gruppi tipici e presentano la numerazione romana da I a VIII, particolarmente utile quando si parla di legami chimici.

Una casella della tavola periodica. Il sodio ha coordinate - 3° periodo, gruppo 1 -

La forma della tavola è strettamente collegata alla struttura elettronica degli elementi:

-        I periodi sono sette perché sette sono i livelli di energia

-    Il numero di elementi di ogni periodo è uguale al massimo numero di elettroni che può occupare quel livello energetico

Di conseguenza ogni periodo inizia con un elemento che possiede un solo elettrone nel livello più esterno, e termina con un elemento che presenta il livello più esterno completo di elettroni

Nella tavola periodica gli elementi possono essere suddivisi in tre classi:

•            metalli

•            non metalli

•            semimetalli

La classe più numerosa è quella dei metalli, che occupa la parte sinistra della tavola prima della linea spezzata che passa sotto il boro, il silicio, l’arsenico e il tellurio. I metalli sono:

•            lucenti;

•            buoni conduttori di calore;

•            buoni conduttori di elettricità;

•            duttili;

•            malleabili.

I non metalli occupano la parte destra della tavola periodica e sono:

•            variamente colorati;

•            gassosi, ma anche liquidi e solidi;

•            cattivi conduttori di calore ed elettricità;

•            né duttili, né malleabili.

I semimetalli presentano proprietà intermedie fra i metalli e i non metalli:

•            a temperatura ambiente sono solidi;

•            sono semiconduttori (né conduttori né isolanti).

I semiconduttori più noti sono il germanio e il silicio che, opportunamente lavorati, vengono impiegati come componenti elettronici.


Rivedi la lezione in video:

Alcuni gruppi e periodi o zone della tavola prendono nomi particolari perché presentano proprietà chimiche simili.

https://www.youtube.com/watch?v=E3Kwe_Jt-7Y

Pochi sanno che esistono rappresentazioni alternative della tavola periodica.

Comics of elements http://www.beautifulchemistry.net/elements/

Energia di ionizzazione e modello atomico a livelli di energia

Gli ioni sono particelle che presentano una carica elettrica positiva o negativa. Gli ioni positivi si chiamano anche cationi e si formano quando uno o più elettroni vengono allontanati dall’atomo. Gli ioni negativi si chiamano anche anioni e si formano quando uno o più elettroni vengono acquistati dall’atomo

L’energia necessaria per allontanare gli elettroni da atomi liberi si chiama energia di ionizzazione E_i. Più precisamente l’energia di prima ionizzazione E_i’ è l’energia necessaria per allontanare il primo elettrone, l’energia di seconda ionizzazione è quella necessaria per allontanare il secondo elettrone E_i’’ e così via.

X  + E_i’ =  X⁺  +  e^-

X = generico atomo neutro             E_i’ = energia di prima ionizzazione
 X⁺   = ione positivo o catione          e^-     = elettrone allontanato

Lo studio delle energie di prima ionizzazione ha messo in evidenza che queste non dipendono  solo dalla quantità di carica positiva del nucleo, ma anche dalla distanza stessa dell’elettrone dal nucleo dell’atomo. E’ nato così il modello a livelli di energia secondo il quale gli elettroni di un atomo si dispongono in livelli di energia che si trovano a diversa distanza dal nucleo. 

Ogni livello contiene un numero massimo di elettroni e il riempimento avviene sempre a partire dal primo livello che è quello a più bassa energia.

Livello	Numero massimo di elettroni
1	2
2	8
3	8
4	18
5	18
6	32

Si chiama struttura (o configurazione) elettronica la rappresentazione della distribuzione degli elettroni  di un atomo sui diversi livelli di energia

Esempio: l’elemento Cl  (Z = 17)  possiede  17 protoni e quindi 17 elettroni che si troveranno: 2 sul primo livello, 8 sul secondo, 7 sul terzo. I primi due sono livelli completi, il terzo no.

Cl   =    2, 8, 7

Poiché i livelli completi corrispondono all’elemento Ne (Z= 10) la struttura elettronica si può scrivere anche così:

Cl   =    [Ne] 7    

Rappresentazione schematica della distribuzione elettronica nel cloro 

Rivedi la lezione in video:

Quando un atomo assorbe una quantità di energia non sufficiente ad allontanare un elettrone, può accadere che questo lasci il livello che occupa normalmente (stato fondamentale) per passare ad un livello di energia maggiore (stato eccitato). Il fenomeno è detto transizione elettronica ed è temporaneo, infatti l’elettrone ritorna allo stato fondamentale restituendo l’energia assorbita sotto forma di radiazione elettromagnetica. Le transizioni elettroniche possono essere osservate attraverso l’esperienza “Le sostanze che colorano la fiamma”.

Reazioni chimiche e scambi di energia

Tutte le reazioni chimiche avvengono con scambi di energia con l’ambiente. Eccone due esempi in questo video:

https://www.youtube.com/watch?v=5C5klqy9gzg

Le reazioni che avvengono con sviluppo di calore si dicono esotermiche. In esse  l’energia dei prodotti  è più bassa rispetto a quella dei reagenti (come illustrato nel grafico) e dunque l’energia in più che avevano i reagenti viene liberata nell’ambiente.

Le reazioni che avvengono con assorbimento di calore si dicono endotermiche. In esse  l’energia dei prodotti  è più alta rispetto a quella dei reagenti (come illustrato nel grafico) e dunque l’energia che i prodotti possiedono in più rispetto ai reagenti deve essere acquisita dall’ambiente.

Anche le dissoluzioni di un soluto in un solvente che non sono reazioni chimiche ma fenomeni fisici, possono essere esotermiche o endotermiche.

Le più comuni reazioni esotermiche sono le reazioni di combustione in cui il combustibile reagisce con il comburente per formare acqua e anidride carbonica.

 Per esempio la combustione del metano è data dalla reazione:

CH₄  + 2 O₂  =  CO₂  +  2 H₂O  + Energia

durante la quale vengono prodotti 891 KJ/mole

Anche le reazioni di demolizione del cibo, quando vengono ingerito, sviluppano calore. Tale quantità di calore viene indicata come contenuto energetico  degli alimenti ed è riportata sulle etichette dei prodotti insieme con la composizione.

Materiali	Contenuto energetico (kcal/g)	Contenuto energetico (kJ/g)
Carboidrati	4	16,7
Lipidi	9	37,6
Proteine	4	16,7

https://www.youtube.com/watch?v=b5AqkKiJ_BE

Isotopi

La maggior parte degli elementi chimici contiene più isotopi, ovvero atomi che si differenziano per il numero di neutroni e quindi per il numero di massa. Alcuni isotopi sono instabili e vanno incontro spontaneamente all'emissione di radiazioni, trasformandosi così in nuclei più stabili. Il fenomeno si chiama radioattività.

In questo video si parla di radioattività:

https://www.youtube.com/watch?v=5XYU4xGSlTY


Gli isotopi instabili presentano una serie di importanti applicazioni pratiche in medicina, in agronomia, nella datazione di reperti archeologici e nella produzione di energia.

La massa atomica riportata sulla tavola periodica per ciascun elemento è in realtà la massa atomica media calcolata tenendo conto di tutti gli isotopi dell'elemento e della loro quantità relativa.

Nella fusione nucleare i nuclei di due o più atomi si uniscono a formare un nuovo elemento la cui massa è inferiore alla somma delle masse degli atomi coinvolti. Vengono infatti liberati neutroni e una gran quantità di energia; è il tipo di reazione che avviene nel Sole e che produce elio a partire da deuterio e tritio.  

https://www.youtube.com/watch?v=OMz1eD5ZwVk&spfreload=5

Nella fissione nucleare il nucleo di un elemento pesante come l'uranio si scinde in nuclei di elementi più leggeri. E' il tipo di reazione utilizzata nei reattori nucleari per la produzione di energia.

https://www.youtube.com/watch?v=whDTYemgkc0

Chi erano i coniugi Curie?
https://www.youtube.com/watch?v=37eH0H4JasM

Il problema del radon in edilizia

Il radon viene generato in continuazione dagli elementi radioattivi presenti in tutti i costituenti della crosta terrestre, in modo particolare nelle rocce di origine vulcanica come le lave, le pozzolane, i tufi, il granito,  il porfido anche in rocce sedimentarie come i marmi, le marne. Di conseguenza la presenza del radon si può riscontrare anche nei materiali da costruzione.

Un particolare inquinamento da radon si verifica soprattutto in alcune zone del Lazio e della Campania a causa dell’utilizzo di materiali da costruzione di origine vulcanica (per lo più tufo). L’elemento radioattivo presente nel tufo è l’uranio 238 che prima di decadere in piombo non radioattivo, dà luogo al radon, che decade a sua volta in pochi giorni dando origine a sostanze radioattive dette 'figli' che si legano al pulviscolo atmosferico e al vapore acqueo e in questo modo raggiungono l’apparato respiratorio dove, continuando il decadimento, emettono radiazioni ad alta energia capaci di innescare reazioni di tipo neoplasico a danno dei polmoni. Il radon è classificato dall'OMS come agente cancerogeno di gruppo 1, cioè a massima evidenza di cancerogenicità sulla base di studi compiuti su esseri umani, e ritenuto la seconda causa, dopo il fumo, di cancro polmonare.

Nel 2000 in Italia il D. lvo n. 241 del 26/05 ha fissato in 500 Bq/mc la soglia di esposizione al radon negli ambienti di lavoro (Bq o Bequerel è il numero di decadimenti nell’unità di tempo). Per quanto riguarda le abitazioni invece, in assenza di legislazione specifica ci si attiene alla Raccomandazione CEC 90/143, che distingue tra abitazioni esistenti e di nuova costruzione fissando i limiti, rispettivamente, in 400 e 200 Bq per metro cubo. Dal 2014 una direttiva europea ha reso obbligatorio per tutti gli stati membri dell’UE dotarsi di un Piano Nazionale Radon.

L'atomo

La costituzione della materia è un argomento affrontato  già 2500 anni fa  nell'antica Grecia. Secondo Aristotele la materia derivava dalla combinazione di quattro elementi: acqua, aria, terra, fuoco ed era divisibile all'infinito. Democrito riteneva invece che la materia fosse composta di particelle piccolissime e indivisibili. A queste fu dato il nome di "atomo". Si trattava in ogni caso di teorie filosofiche. Solo all'inizio del diciannovesimo secolo fu creato il primo modello atomico basato su dati sperimentali grazie allo scienziato inglese J. Dalton. In questo video una breve storia dell'atomo:

https://www.youtube.com/watch?v=b8rxwPyN7dU

In riferimento alle particelle subatomiche, l'atomo di ogni elemento viene caratterizzato da due grandezze: il numero atomico e il numero di massa

https://www.youtube.com/watch?v=BK_vC8o-SVw