Lezione 2 - Chimica e Propedeutica Biochimica PDF

Lezione 2 Chimica e Propedeutica Biochimica ACS - ASOMI College of Sciences  Il legame chimico - Gli atomi di una o più specie elementali si avvicinano e si connettono, disponendo i propri nuclei e elettroni di modo che la loro energia totale sia minore rispetto a quel...

Lezione 2 Chimica e Propedeutica Biochimica ACS - ASOMI College of Sciences  Il legame chimico - Gli atomi di una o più specie elementali si avvicinano e si connettono, disponendo i propri nuclei e elettroni di modo che la loro energia totale sia minore rispetto a quella degli atomi separati  si forma un legame - Gli atomi generano legami con una geometria precisa: questa non viene alterata durante un cambiamento di stato (solido, liquido, gas). - Possono formarsi varie tipologie di legame, sulla base dell’interazione tra atomi ACS - ASOMI College of Sciences  L’energia potenziale di legame A) A distanza, due atomi sono completamente indipendenti, e hanno energia potenziale (EP) pari a 0. B) Più si avvicinano, più iniziano a interagire, riducendo la propria energia netta. C) Se si avvicinano troppo, la loro energia potenziale aumenta vertiginosamente. Il bilanciamento tra forze attrattive e forze repulsive determina la distanza interatomica di legame. ACS - ASOMI College of Sciences  Le forze, l’energia e la distanza di legame Se troppo distanti, gli atomi non Più si avvicinano, più le forze Forzando la loro vicinanza, le possono interagire; la loro attrattive le portano una verso forze repulsive riportano gli energia potenziale è fissata a 0. l’altra verso fino a raggiungere la atomi alla loro condizione distanza di legame (r). stabile, pari a r. ACS - ASOMI College of Sciences  La molecola di Idrogeno (H2) Distanza di legame: minima distanza media tra due atomi, risultato del bilanciamento tra le forze attrattive (tra particelle opposte) e repulsive (tra particelle uguali). L’idrogeno biatomico (H2) è la sostanza biatomica più semplice in natura. Due protoni idrogeno, a distanza di 74 picometri (pm, 10-12 m) condividono due elettroni. ACS - ASOMI College of Sciences  La legge di Coulomb L’attrazione o la repulsione tra corpi dotati di carica elettrica è direttamente proporzionale alle cariche elettriche dei due corpi e inversamente proporzionale alla distanza. K = 8,987 * 109 Nm2/C2 ACS - ASOMI College of Sciences  Come si tengono legati due atomi Assumendo esclusivamente solo interazione elettrostatiche, le interazioni attrattive stabilizzano il sistema che le forze repulsive tentano di destabilizzare. L’intensità di tali interazioni segue la legge di Coulomb. Nell’interazione tra due atomi di idrogeno (H2), le particelle (2x cariche positivamente, 2x cariche negativamente) devono disposi per MASSIMIZZARE l’attrazione, minimizzare la repulsione. Avvicinando i nuclei e disponendo gli elettroni nello spazio internucleare si ottiene quanto atteso dalla legge di Coulomb per mantenere gli atomi in interazione. Gli elettroni, pur trovandosi in una stretta zona condivisa, esercitano uno con l’altro forze repulsive. È il numero magnetico di spin (l’energia che ne deriva) che fa si che gli elettroni non esercitino una eccessiva repulsione. ACS - ASOMI College of Sciences  Elettricità, magnetismo ed elettromagnetismo Elettricità Magnetismo Elettromagnetismo Una particella che ha carica Due particelle cariche che Risultato della somma dei può esercitare attrazione o si muovono nello spazio e due fenomeni precedenti, repulsione rispetto ad altre interagiscono causano che sono strettamente particelle. magnetismo. correlati. Sostanze diamagnetiche Sostanze paramagnetiche Gli elettroni di una sostanza hanno spin Esercitano un orientamento su altre accoppiato (bilanciato) quindi non si sostanze riconducibile ad elettroni non manifestano proprietà elettromagnetiche. accoppiati. ACS - ASOMI College of Sciences  Tipologie di legame Legami forti: 1) Legame covalente 2) Legame ionico 3) Legame metallico Legami deboli: 1) Legame idrogeno 2) Interazione di van der Waals ACS - ASOMI College of Sciences  Elettronegatività Capacità di attirare su di sé gli elettroni di un altro atomo, quindi di fare legame. Misura sulla scala di elettronegatività di Pauling, dove il Fluoro (F) è il più elettronegativo. Nella tavola periodica, diminuisce lungo il gruppo e da destra a sinistra lungo i periodi. ACS - ASOMI College of Sciences  Il legame covalente Condivisione di una coppia elettronica Legame covalente: associazione tra atomi per parziale sovrapposizione delle nuvole elettroniche, in cui sono condivisi due elettroni con spin antiparallelo. Nel caso dell’idrogeno biatomico (H2), i - + + - due elettroni condivisi circolano nel guscio 1s. Atomo di Elio (He) Molecola: sostanza di almeno due atomi uniti da legami covalenti. ACS - ASOMI College of Sciences Spin e doppietti non condivisi La materia (la maggior parte) tende a disporre gli elettroni in maniera che i loro spin si bilancino (antiparallelo). Questa tendenza si osserva non solo negli elettroni condivisi, ma anche in quelli che non vengono condivisi (lone pairs) (cioè, si trovano nel guscio di valenza ma non prendono parte ad alcun tipo di legame). Nella figura in alto a sinistra, A) ammoniaca, B) acqua, C) acido cloridrico. ACS - ASOMI College of Sciences  Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Teoria della Repulsione fra Coppie Elettroniche dello Strato di Valenza La distribuzione dei legami attorno ad un atomo dipende dalle forze repulsive esercitate dal numero totale di coppie elettroniche, condivise e non condivise. Tale geometria è assunta per minimizzare le forze repulsive. ACS - ASOMI College of Sciences  Regola dell’ottetto Gli atomi all’interno di una molecola tendono a ottenere 4 coppie di elettroni con spin antiparallelo nel guscio più esterno. Questo è effettuato ottenendo o perdendo elettroni. ECCEZIONI: 1) Gli elementi con orbitali esterni delle serie d e f. 2) Elementi di numero atomico inferiore al C (Z=6) 3) Atomo di Elio (He). ACS - ASOMI College of Sciences  Strutture di Lewis Rappresentazione di atomi, molecole e ioni, basata sulla regola dell’ottetto. La valenza dipende dal gruppo di appartenenza. Si riportano gli elementi coinvolti come sigle, circondandoli da punti che rappresentano gli elettroni di valenza: - Se frapposti tra i simboli degli atomi, essi li condividono e possono essere rappresentati come tratti; - Sono indicati anche i doppietti non condivisi. ACS - ASOMI College of Sciences  Distanza di legame Distanza che separa due atomi nel legame covalente. Influenzata da dimensione degli atomi e dalla elettronegatività. Doppi e tripli legami accorciano le distanze. Etano Etene Etino ACS - ASOMI College of Sciences  Come si rappresentano le molecole? ACS - ASOMI College of Sciences  Legame covalente apolare Interazione elettrostatica. La nuvola elettronica è distribuita in maniera La differenza di elettronegatività deve omogenea. essere 0 ≤ ΔE ≤ 0,4. Puro se atomi identici, apolare se specie diverse. ACS - ASOMI College of Sciences  Legame covalente polare/eteropolare Interazione elettrostatica. La differenza di elettronegatività deve essere 0,4 < ΔE ≤ 1,7. La nuvola elettronica è delocalizzata sulla specie più elettronegativa. Si forma un dipolo permanente. ACS - ASOMI College of Sciences  Distribuzione della carica elettronica Acido cloridrico (HCl) Nel legame covalente polare, la nuvola elettronica è spostata verso gli atomi con maggiore elettronegatività. Clorometano (CH3Cl) Fluorometano (CH3F) ACS - ASOMI College of Sciences ACS - ASOMI College of Sciences  Legame covalente dativo/di coordinazione In alcuni casi, un atomo con una coppia di elettroni non condivisa può donarla/coordinarla con un’altra specie il cui orbitale di valenza è (parzialmente) vuoto. ACS - ASOMI College of Sciences  Legame ionico Spostamento di elettroni Interazione elettrostatica in cui due specie atomiche presentano una differenza di elettronegatività (ΔE) molto elevata (bassa energia di ionizzazione, alta affinità elettronica). Legame tipico dei metalli con i non-metalli. 1,7 < ΔE ≤ 2 ACS - ASOMI College of Sciences  Disposizione degli atomi nel legame ionico Sodio Bicarbonato (Na+ HCO3-) ACS - ASOMI College of Sciences  Legame metallico Interazione elettrostatica di ioni positivi metallici in cui gli elettroni di valenza sono delocalizzati su orbitali degeneri. Si organizzano in aggregati reticolari. Tale modello spiega l’elevata conducibilità elettrica e termica, la malleabilità e la duttilità. ACS - ASOMI College of Sciences  Interazioni intermolecolari Interazioni tra molecole determina quanto queste siano ravvicinate. Consentono di mantenere le sostanze in un certo stadio (solido, liquido, gassoso). Per passare da uno stadio all’altro è necessario rompere le interazioni, Paraffina Saccarosio fornendo calore. Suddivise in forti (dei solidi molecolari e reticolari) e deboli. ACS - ASOMI College of Sciences  Interazioni intermolecolari deboli Interazione di tipo elettrostatico che si instaurano tra molecole. Includono: 1) le Forze di van der Waals: di molecole polari, a polari, appartenenti a stati liquido e solido che mantengono compattezza e riducono la mobilità delle molecole in tali stadi di aggregazione. 2) i legami idrogeno: tipico delle molecole in cui H è legato covalentemente a atomi più elettronegativi ACS - ASOMI College of Sciences  Interazioni intermolecolari deboli Forze di van der Waals Tra dipoli permanenti Tra dipoli permanente e Tra dipoli istantaneo e indotto indotto Interazione di Keesom: Forza di Debye: Forza di London: interazione dipolo-dipolo in L’interazione di una molecola Fluttuazioni nella cui le molecole si dispongono polare e una apolare induce distribuzione degli elettroni per avvicinare poli di carica una parziale e temporanea creano differenze di carica opposta. polarizzazione della carica in elettrica temporanea, che quella apolare. possono indurre dipoli nelle molecole circostanti. ACS - ASOMI College of Sciences  Interazione di Keesom Forza di Debye Forza di London ACS - ASOMI College of Sciences  Il legame idrogeno L’atomo di idrogeno legato a un atomo più elettronegativo (O, N, F, Cl) instaura una debole interazione con la coppia di elettroni non condivisa di un atomo elettronegativo di un’altra molecola. ACS - ASOMI College of Sciences  Ibridazione sp3 dell’acqua Gli orbitali s e p dello stesso numero quantico principale possono sovrapporsi nel fenomeno della ibridazione (orbitale ibrido sp3). Cambia la morfologia della molecola. Conf. Elettronica dell’atomo di ossigeno ACS - ASOMI College of Sciences  Orbitali ibridi Adattamento a diversi livelli energetici La disposizione degli orbitali nelle nuvole elettroniche definisce la disposizione dei legami che possono formare. Nel metano (CH4), ci si aspetterebbe che gli elettroni si posizionino lungo gli assi dell’orbitale p (con angolo di 90°C) e nell’orbitale s per disporsi a 135°C. Tuttavia questo non si osserva. Il modello VSEPR suggerisce che le forze repulsive equiparano la distanza tra gli elettroni, causando la formazione di orbitali ibridi. ACS - ASOMI College of Sciences  Orbitali ibridi sp3 1 orbitale s e 3 orbitali p Formazione di 4 orbitali ibridi sp3 di uguale energia che conferiscono forma tetraedrica. Fenomeno valido anche per acqua e ammoniaca. ACS - ASOMI College of Sciences  Orbitali ibridi sp2 1 orbitale s e 2 orbitali p Formazione di 3 orbitali ibridi sp2 di uguale energia che conferiscono forma triangolare planare (120°). Un elettrone resta in orbitale p e forma un doppio legame. ACS - ASOMI College of Sciences  Orbitali ibridi sp 1 orbitale s e 1 orbitale p Formazione di 2 orbitali ibridi sp di uguale energia che conferiscono geometria planare (180°). Due elettroni restano in orbitali p e si forma un triplo legame. ACS - ASOMI College of Sciences  Etano (C2H6): legame singolo, forma dei carboni tetraedrica Etene (C2H4): legame doppio, forma dei carboni triangolare  geometria planare ACS - ASOMI College of Sciences Etino (C2H2): legame triplo, forma dei carboni triangolare  geometria lineare ACS - ASOMI College of Sciences  Le eccezioni alla regola dell’ottetto Nel trifluoruro di boro (BF3), si formano 3 orbitali sp2 che danno forma planare. Nel dicloruro di berillio (BeCl2), il Be consente di formare 2 orbitali ibridi sp, conferendo struttura lineare alla molecola. ACS - ASOMI College of Sciences  Altre eccezioni alla regola Alcune specie sono in grado di formare orbitali ibridi sp3 assieme agli orbitali d PF5 (fosforo sp3d 3 Angoli 120° + 2 ortogonali pentafluoruro) SF6 (zolfo esafluoruro) sp3d2 4 Angoli 90° + 2 ortogonali ACS - ASOMI College of Sciences  Ibridi di risonanza Per alcune sostanze in cui sono presenti anche doppi legami, questi si possono ridistribuire per riarrangiamento degli elettroni negli orbitali  RISONANZA. Nello ione carbonato (CO32-) il doppio legame ha la stessa lunghezza dei legami singoli, ed entra in risonanza, in cui gli elettroni sono delocalizzati all’interno della molecola. Esempio simile è quello dello ione nitrato (NO32-). ACS - ASOMI College of Sciences