PDF - Chimica 4 - Le Forze Intermolecolari - PDF

FORZE INTERMOLECOLARI All’interno della materia si trovano due tipi di forze che tengono insieme gli atomi e le molecole: Forze intramolecolari, ovvero le forze all’interno delle molecole che sono dovute all’attrazione tra cationi e anioni (legame ionico) o tra coppie di elettroni e...

FORZE INTERMOLECOLARI All’interno della materia si trovano due tipi di forze che tengono insieme gli atomi e le molecole: Forze intramolecolari, ovvero le forze all’interno delle molecole che sono dovute all’attrazione tra cationi e anioni (legame ionico) o tra coppie di elettroni e nuclei (legame covalente). Sono forze relativamente forti perché implicano cariche maggiori più vicine tra loro; Forze intermolecolari, che sono dovute all’attrazione tra molecole o tra ioni e molecole. Sono relativamente deboli perché implicano cariche minori (parziali o istantanee) più lontane tra loro. All’aumentare delle forze intermolecolari aumenteranno la temperatura di fusione e di ebollizione di una sostanza. A. FORZE IONE-DIPOLO Quando uno ione e una molecola polare si attraggono reciprocamente si origina una forza ione-dipolo. Non essendoci nessuna condivisione di alcun elettrone, ogni ione può essere attorniato da più dipoli a seconda di quanto spazio c’è attorno al dipolo. L’esempio più chiaro di questa forza è dato dalla solubilizzazione dei sali: prendo un cristallo di cloruro di sodio, in cui lo ione sodio Na+ e lo ione cloruro Cl- sono distribuiti nello spazio regolarmente; gli ioni che sono esposti alla superficie, cioè alla parte più esterna del cristallo, vengono a contatto con le molecole d’acqua (dipoli) e quindi succederà che gli ioni negativi andranno ad attrarre le parti positive delle molecole d’acqua. Stessa cosa farà lo ione positivo che andrà ad attrarre le molecole d’acqua per la loro parte negativa. Tutto ciò porta alla produzione di energia, la quale può essere sufficiente a vincere l’energia che tiene insieme gli ioni: si parlerà quindi di energia di idratazione quando si va a considerare l’energia che viene prodotta dall’interazione tra gli ioni e le molecole d’acqua. L’energia all’interno del cristallo che invece tiene insieme gli ioni viene detta energia reticolare. Se l’energia di idratazione sarà maggiore dell’energia reticolare, gli ioni si allontaneranno gli uni dagli altri, e quindi il cristallo di cloruro di sodio si scioglierà in acqua. Gli ioni che si verranno così a distaccare non saranno ioni “nudi”, ma avranno attorno a loro un’aureola di molecole d’acqua, e quindi si tratterà di ioni idratati. Le estremità negative dei dipoli dell’acqua tendono verso le estremità positive degli ioni, mentre le estremità positive dell’acqua tendono verso le estremità negative degli ioni. È quindi il bilanciamento tra energia reticolare ed energia di idratazione che potrà dire se una certa molecola/sostanza si potrà sciogliere in acqua. B. FORZE DIPOLO-DIPOLO Queste forze si esercitano tra molecole polari che agiscono da piccole calamite: a) Nei solidi le molecole polari tendono a disporsi in modo da rendere massima l’attrazione tra le estremità di segno opposto; b) Nei liquidi le molecole sono libere di muoversi e, istante per istante, si attrarranno o si respingeranno. All’aumentare della forza di attrazione tra le molecole sarà più difficile “staccarle”, e quindi passare da solido a liquido. Di conseguenza aumenterà anche la temperatura di transizione da solido a liquido. Proprio grazie a ciò è possibile fare qualche considerazione tra la temperatura di ebollizione e alcune caratteristiche della molecola: la forza di attrazione tra le molecole è direttamente proporzionale alla quarta potenza del momento dipolare, ed è inversamente proporzionale alla sesta potenza della distanza tra i centri dei dipoli, quindi all’aumentare del momento dipolare (le molecole sono più polari) aumenterà la forza di attrazione. aumenta la aumenta la aumenta la forza temperatura di polarità di attrazione ebollizione Prendiamo 4 molecole in cui la distanza tra i centri dei dipoli è più o meno la stessa, ma che hanno momenti dipolari molto diversi: Propano CH3CH2CH3, è una molecola non polare quindi il suo momento dipolare è 0 e la sua temperatura di ebollizione è -42 gradi. Etere metilico CH3OCH3, è una molecola di dimensioni molto simili al propano, ma a causa della presenza dell’ossigeno il momento dipolare è pari a 1.3 e la sua temperatura di ebollizione è -20 gradi. Acetaldeide CH3CHO, le dimensioni sono bene o male le stesse, ma il momento dipolare aumenta a 2.7 con una temperatura di ebollizione pari a +20 gradi. Acetonitrile, stesse dimensioni ma il momento dipolare è 3.9 e la sua temperatura di ebollizione è +82 gradi. Così come le forze ione-dipolo erano responsabili della dissoluzione dei sali, le forze dipolo-dipolo sono responsabili della dissoluzione di solidi polari (ad esempio dello zucchero in acqua): come per il cloruro di sodio, anche lo zucchero messo in acqua si scioglie in pochissimi secondi in quanto i suoi dipoli interagiscono con le molecole d’acqua; le parti positive delle molecole di zucchero andranno ad interagire con le parti negative delle molecole d’acqua, mentre le parti negative delle molecole di zucchero andranno a interagire con le parti positive delle molecole d’acqua. Si verranno così a formare dei legami dipolo-dipolo e in questa produzione di legami si produce energia, la quale può essere sufficiente a vincere l’energia che tiene insieme le molecole di zucchero. Il risultato finale è che anche in solidi polari si può verificare l’allontanamento delle molecole, le quali verranno sempre attorniate da molecole d’acqua. Tra molecole che possiedono un atomo di idrogeno legato ad un atomo piccolo, molto elettronegativo, con coppie di elettroni solitarie (per esempio N o O) si forma il legame ad idrogeno. L’atomo di H, con elevata densità di carica positiva, sarà attratto verso la coppia elettronica non condivisa dell’atomo di N o O di una molecola vicina. Ad esempio: in una molecola d’acqua l’ossigeno attrae gli elettroni di legame, di conseguenza l’idrogeno si caricherà positivamente e per “rivalersi” degli elettroni persi nel legame con l’ossigeno può andare ad attrarre gli elettroni non di legame di un ossigeno di un’altra molecola di acqua; quindi si ha la formazione di questa interazione dipolo-dipolo tra la parte positiva di una molecola d’acqua e la parte negativa di un’altra molecola d’acqua. Il legame ad idrogeno è quindi un legame INTERMOLECOLARE. 2  C. IL LEGAME AD IDROGENO La presenza di legame ad idrogeno ha un fortissimo impatto sulla temperatura di ebollizione. Ad esempio, per quanto riguarda l’acqua, questa, in assenza dell’idrogeno bollirebbe a -80 gradi, invece bolle a +100 gradi, e grazie a questa determinata temperatura è possibile la vita. Il legame ad idrogeno costringe le molecole allo stato solido a creare degli spazi vuoti che determinano una densità inferiore: Struttura del ghiaccio Ogni atomo di idrogeno di una molecola d’acqua crea un legame ad idrogeno con l’ossigeno di un’altra molecola d’acqua; il risultato finale è che allo stato solido l’acqua ha delle strutture a esagoni compenetrati gli uni con gli altri, i quali interagiscono ulteriormente tra di loro. Si formano così a loro volta delle cavità vuote e quindi allo stato solido l’acqua occupa un volume maggiore rispetto allo stato liquido, e quindi allo stato solido ha una densità inferiore. Questo è il motivo per il quale il ghiaccio galleggia sull’acqua. Il legame ad idrogeno si trova alla base di moltissime strutture, come ad esempio delle proteine: il legame a idrogeno è tra i responsabili della forma delle proteine e delle loro proprietà chimiche e biologiche. In assenza di legami a idrogeno, viene meno l’organizzazione delle catene proteiche con conseguente perdita delle funzioni (ad esempio: denaturazione termica) = in una determinata proteina funzionale, una volta riscaldata, vengono rotti certi legami a idrogeno che danno alla proteina quella determinata struttura e vengono riformati in posizione diversa. Dopo il riscaldamento, quindi, la proteina cambia la sua configurazione tridimensionale venendo denaturata e perdendo le sue precedenti funzioni. L’esempio più banale è l’uovo: l’albume è composto per circa il 10% da proteine e 90% da acqua, e quando questo viene riscaldato le proteine vengono parzialmente denaturate, reticolano e inglobano l’acqua; a una temperatura maggiore di 100 gradi l’acqua viene espulsa e le proteine reticolano ulteriormente per la formazione di nuovi legami (uovo sodo). Il legame ad idrogeno si trova anche nel DNA, le cui basi azotate delle due catene che formano la doppia elica interagiscono in maniera selettiva proprio grazie ad un legame ad idrogeno. Negli anni 60 una scienziata americana brevettò un materiale polimerico (Kevlar), il quale è formato da legami a idrogeno tra diverse catene che rendono estremamente resistente la struttura. Le fibre di Kevlar vengono utilizzate in un’ampia gamma di indumenti, accessori e dispositivi per renderli più sicuri, infatti hanno una resistenza cinque volte superiore rispetto all’acciaio a parità di peso. 3  D. POLARIZZAZIONE E DIPOLI INDOTTI Presa una molecola non polare, attorno ad essa vi sono degli elettroni in continuo movimento. Un campo elettrico vicino (ione o dipolo) può indurre una distorsione della “nuvola” di elettroni e quindi indurre un dipolo temporaneo anche in molecole apolari o aumentare il dipolo in molecole polari. La molecola apolare viene quindi polarizzata dalla presenza dello ione esterno. Di conseguenza, gli elettroni vengono a spostarsi in parte verso lo ione positivo creando una parziale carica negativa vicino allo ione. Quando invece viene avvicinata una carica negativa, questa spinge via gli elettroni, i quali vanno a caricare l’atomo più lontano, mentre la parte più vicina allo ione negativo si carica positivamente. La facilità con cui la nuvola elettronica può essere distorta è detta polarizzabilità. Gli atomi (ioni) piccoli sono meno polarizzabili di quelli più grandi perché i loro elettroni sentono maggiormente l’attrazione nucleare. Le interazioni ione-dipolo indotto oppure dipolo-dipolo indotto sono i due tipi di forze carica-dipolo indotto, che si vengono solitamente a creare in soluzione. tutto quanto detto si verifica in presenza di ioni e/o molecole polari. Ma quali forze fanno sì che molecole apolari condensino e solidifichino? Può succedere che in atomi o molecole apolari, in un certo istante, gli elettroni si accumulino ad una estremità della molecola, oppure che ci siano attrazioni o repulsioni temporanee tra nuclei o elettroni di atomi vicini. In quel momento si genererà, per una frazione di secondo, un dipolo. Le forze di dispersione (o forze di London) nascono dalle attrazioni tra dipoli temporanei. Normalmente, gli elettroni si distribuiscono simmetricamente in atomi o molecole non polari. Una nuvola elettronica può diventare temporaneamente e casualmente distorta. Se questa distorsione diventa abbastanza grande, può influenzare atomi o molecole adiacenti. La distorsione della nuvola elettronica provoca la formazione di un dipolo temporaneo o istantaneo. Questo dipolo temporaneo induce la formazione di un dipolo nella nuvola elettronica di un atomo o di una molecola vicina, con il conseguente instaurarsi di forze attrattive tra il dipolo istantaneo e il dipolo indotto. L’efficacia delle forze di London aumenta all’aumentare del numero atomico (o della massa molecolare) e della polarizzabilità (più elettroni = maggiore polarizzabilità). Più diventa grande l’atomo, più è polarizzabile e più è facile che si possano formare delle forze di London per attrarre le molecole. Inoltre, maggiore è il numero atomico, più aumenta la temperatura di ebollizione. I punti di ebollizione degli alcani aumentano all’aumentare della massa molecolare (cioè del peso molecolare) e delle conseguenti forze di dispersione più intense (maggiore polarizzabilità). Anche la forma delle molecole, oltre al loro peso molecolare, contribuisce a determinare l’intensità delle forze di attrazione (e quindi le proprietà fisiche). Ad esempio: la forma allungata di n-pentano gli permette di interagire lungo tutta la lunghezza della molecola; la forma quasi sferica della molecola di neopentano permette solo una piccola area di interazione. Il neopentano bolle a 9.5 gradi, contro i 36.1 gradi del n-pentano in virtù delle minori forze di dispersione. 4 Le forze intermolecolari e intramolecolari possono coesistere e concorrere a determinare forma e proprietà, ad esempio delle proteine. Per quanto riguarda le proprietà il geco, per esempio, è in grado di salire su qualsiasi superficie grazie all’instaurazioni di forti interazioni dipolo-dipolo indotto sulle zampe con le superfici. Il geco utilizza quindi le forze intermolecolari in senso positivo; tuttavia si possono utilizzare le forze intermolecolari anche in senso negativo, ma sempre a proprio vantaggio. Infatti, le padelle da cucina “antiaderenti” sono ricoperte all’interno di uno strato di un polimero contenente fluoro, il quale è un elemento poco polarizzabile e quindi instaura difficilmente interazioni intermolecolari con il cibo. Infine, le molecole di sapone interagiscono fortemente con l’acqua attraverso la testa idrofila, ma allo stesso tempo possiedono una lunga catena idrofoba, e quindi non polare. Quindi, se prendo dello stearato di sodio, che è un componente del sapone, e lo metto in acqua tenderà a fare una micella, ovvero un assembramento di molecole in cui la parte affine all’acqua è esposta all’acqua stessa, mentre la parte non affine all’acqua è rivolta verso l’interno; all’interno quindi non entra dell’acqua e il risultato che si ottiene è la capacità di questa molecola di stearato di sodio di stare in acqua, e quando questa micella di detergente arriva sul grasso (sporco di un tessuto), che è formato da molecole non polari e quindi non può essere pulito con della semplice acqua, può nascere un’interazione: la macchia di sporco si riempie di molecole di stearato di sodio, che espongono la parte carica e così le molecole d’acqua andando a interagire con le teste polari idrofile riescono ad allontanare il grasso dalla superficie. 5