Chimica: Legami e Forze Intermolecolari

Forze Intermolecolari

• Esistono due tipi di forze che tengono insieme gli atomi e le molecole all'interno della materia.

• Forze intramolecolari: sono le forze all'interno delle molecole, derivanti dall'attrazione tra cationi e anioni (legame ionico) o tra coppie di elettroni e nuclei (legame covalente).

• Sono forze relativamente forti poiché implicano cariche maggiori più vicine tra loro.

• Forze intermolecolari: derivano dall'attrazione tra molecole o tra ioni e molecole.

• Sono relativamente deboli poiché implicano cariche minori (parziali o istantanee) più distanti tra loro.

• L'aumento delle forze intermolecolari porta all'aumento della temperatura di fusione e di ebollizione di una sostanza.

Forze Ione-Dipolo

• Una forza ione-dipolo si origina quando uno ione e una molecola polare si attraggono reciprocamente.
• Ogni ione può essere circondato da più dipoli, a seconda dello spazio disponibile attorno al dipolo, senza alcuna condivisione di elettroni.
• Un esempio è la solubilizzazione dei sali, come nel caso del cristallo di cloruro di sodio (Na+ e Cl-).
• Gli ioni esposti alla superficie del cristallo entrano in contatto con le molecole d'acqua (dipoli).
• Gli ioni negativi attraggono le parti positive delle molecole d'acqua, e viceversa.
• Questo processo produce energia sufficiente a superare l'energia che tiene uniti gli ioni (energia di idratazione).
• L'energia all'interno del cristallo che tiene uniti gli ioni è detta energia reticolare.
• Se l'energia di idratazione è maggiore dell'energia reticolare, gli ioni si allontanano e il cristallo si scioglie in acqua.
• Gli ioni che si distaccano non sono "nudi", ma circondati da molecole d'acqua, diventando ioni idratati.
• Le estremità negative dei dipoli dell'acqua sono attratte dalle estremità positive degli ioni, e viceversa.
• Il bilanciamento tra energia reticolare ed energia di idratazione determina se una sostanza si scioglierà in acqua.

Forze Dipolo-Dipolo

• Queste forze si esercitano tra molecole polari.
• Nei solidi, le molecole polari tendono a disporsi in modo da massimizzare l'attrazione tra le estremità di segno opposto.
• Nei liquidi, le molecole sono libere di muoversi e si attraggono o si respingono istantaneamente.
• L'aumento della forza di attrazione tra le molecole rende più difficile separarle, aumentando la temperatura di transizione da solido a liquido.
• La forza di attrazione tra le molecole è direttamente proporzionale alla quarta potenza del momento dipolare e inversamente proporzionale alla sesta potenza della distanza tra i centri dei dipoli.
• All'aumentare del momento dipolare, le molecole diventano più polari, aumentando la forza di attrazione.
• Esempi di molecole con diversi momenti dipolari:
  • Propano (CH3CH2CH3): non polare, momento dipolare 0, temperatura di ebollizione -42 gradi.
  • Etere metilico (CH3OCH3): momento dipolare 1.3, temperatura di ebollizione -20 gradi.
  • Acetaldeide (CH3CHO): momento dipolare 2.7, temperatura di ebollizione +20 gradi.
  • Acetonitrile: momento dipolare 3.9, temperatura di ebollizione +82 gradi.
• Le forze dipolo-dipolo sono responsabili della dissoluzione di solidi polari come lo zucchero in acqua.
• I dipoli dello zucchero interagiscono con quelli dell'acqua, portando all'allontanamento delle molecole di zucchero, che vengono circondate da molecole d'acqua.

Legame a Idrogeno

• Il legame a idrogeno si forma tra molecole con un atomo di idrogeno legato a un atomo piccolo e molto elettronegativo (N o O) con coppie di elettroni solitarie.
• L'atomo di H, con elevata densità di carica positiva, è attratto verso la coppia elettronica non condivisa dell'atomo di N o O di una molecola vicina.
• Esempio: in una molecola d'acqua, l'ossigeno attrae gli elettroni di legame, caricando positivamente l'idrogeno, che attrae gli elettroni non di legame di un ossigeno di un'altra molecola d'acqua.
• Il legame ad idrogeno è un legame intermolecolare.
• Il legame a idrogeno ha un impatto significativo sulla temperatura di ebollizione.
• L'acqua, in assenza di idrogeno, bollirebbe a -80 gradi, invece bolle a +100 gradi a causa di questo legame.
• Il legame a idrogeno costringe le molecole allo stato solido a creare spazi vuoti, riducendo la densità.
• Ogni atomo di idrogeno di una molecola d'acqua crea un legame ad idrogeno con l'ossigeno di un'altra molecola d'acqua.
• Allo stato solido, l'acqua forma strutture esagonali compenetrate, creando cavità vuote e diminuendo la densità, il che spiega perché il ghiaccio galleggia sull'acqua.
• Il legame ad idrogeno è fondamentale per le proteine, influenzandone forma, proprietà chimiche e biologiche.
• In assenza di legami a idrogeno, le proteine perdono la loro organizzazione e funzione (denaturazione termica).
• Il riscaldamento rompe i legami a idrogeno, alterando la struttura proteica.
• Esempio: l'albume dell'uovo, composto da proteine e acqua, si denatura con il calore, reticolando e inglobando l'acqua.
• Il legame ad idrogeno è presente anche nel DNA, dove le basi azotate delle due catene interagiscono selettivamente.
• Negli anni '60, è stato brevettato il Kevlar, un materiale polimerico resistente grazie ai legami a idrogeno tra le catene.

Polarizzazione e Dipoli Indotti

• In una molecola non polare, gli elettroni sono in continuo movimento.
• Un campo elettrico vicino (ione o dipolo) può indurre un dipolo temporaneo in molecole apolari o aumentare il dipolo in molecole polari.
• La molecola apolare viene polarizzata dalla presenza dello ione esterno, spostando gli elettroni.
• La facilità con cui la nuvola elettronica può essere distorta è detta polarizzabilità.
• Gli atomi (ioni) piccoli sono meno polarizzabili di quelli più grandi.
• Le interazioni ione-dipolo indotto e dipolo-dipolo indotto sono tipi di forze carica-dipolo indotto che si creano in soluzione.
• Le forze di dispersione (o di London) nascono dalle attrazioni tra dipoli temporanei.
• In atomi o molecole apolari, gli elettroni possono accumularsi temporaneamente a un'estremità, generando un dipolo.
• Questo dipolo temporaneo influenza atomi o molecole adiacenti, inducendo un dipolo e creando forze attrattive.
• L'efficacia delle forze di London aumenta con il numero atomico e la polarizzabilità.
• I punti di ebollizione degli alcani aumentano con la massa molecolare e le forze di dispersione più intense (maggiore polarizzabilità).
• La forma della molecola influenza l'intensità delle forze di attrazione: ad esempio, il n-pentano (forma allungata) interagisce di più rispetto al neopentano (forma sferica).

Interazioni Molecolari Complesse

• Le forze intermolecolari e intramolecolari possono coesistere e concorrere nel determinare forma e proprietà.
• Esempio: il geco sfrutta interazioni dipolo indotto per aderire alle superfici.
• Le padelle antiaderenti sono rivestite di un polimero con fluoro, che instaura difficilmente interazioni intermolecolari con il cibo.
• Le molecole di sapone interagiscono con l'acqua tramite la testa idrofila e possiedono una catena idrofoba e non polare.
• In acqua, il sapone forma micelle con la parte affine all'acqua esposta e la parte non affine all'interno.
• Questa capacità permette al sapone di interagire con il grasso (sporco), formando un'interazione e allontanando il grasso dalla superficie.

Esplora i legami chimici e le forze intermolecolari che influenzano le proprietà della materia. Dalla formazione di cavità nell'acqua solida alla denaturazione delle proteine, verranno esaminati i principi fondamentali che regolano le interzioni molecolari. Scopri il ruolo cruciale dei legami a idrogeno e delle forze di dispersione.