I legami chimici e le forze di Van der Waals per Scienza dei Materiali

Uď'A Università degli Studi G. d'Annunzio

Dipartimento di Ingegneria e Geologia Università «G. D'Annunzio» Chieti-Pescara INGEO Dipartimento di Ingegneria e Geologia Corso di Laurea in Ingegneria delle Costruzioni (A.A. 2024-25) Corso di «Scienza dei Materiali» (6 cfu, 60 ore) (Prof.ssa Ilaria Capasso) I legami chimiciUď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Introduzione ai legami

Introduzione ai legami

• La materia è costituita da atomi che si combinano fra loro, secondo diverse possibili modalità.
• Ciò che tiene legati gli atomi fra loro sono i legami chimici (interazioni forti)
• I legami coinvolgono esclusivamente gli elettroni di valenza

Classificazione dei legami

Primari: legami intramolecolari (tra atomi) caratterizzati da energie di legame relativamente forti (ionico - covalente - metallico). Secondari: legami intermolecolari (tra molecole) caratterizzati da energie di legame relativamente deboli (interazioni dipolo-dipolo). Energia di legame: energia che bisogna «spendere» per rompere il legame.Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Stabilità dei legami

REMEMBER Un legame avviene se il composto che si forma ha una minore energia (maggiore stabilità) rispetto agli atomi di partenza. Gli atomi contribuiscono a tale stabilità cedendo, acquistando o mettendo in comune elettroni (regola dell'ottetto). N.B. La capacità dell'atomo di cedere, acquistare o compartecipare elettroni è misurata dall'elettronegatività x)Uď'A Università degli Studi "G. d'Annunzio"

Legame ionico

V Si instaura fra elementi con elevata differenza di elettronegatività (e quindi tra metalli e non metalli). V Processo di cessione/acquisto di elettroni, con formazione di cationi (+) e anioni (-) - È un legame di natura elettrostatica che si instaura fra cationi e anioni (interazione di tipo Coulombiano) Esempio: immaginiamo vengano a contatto un elemento fortemente elettropositivo (A) ed uno fortemente elettronegativo (B): A -A+ + e- B+e - B- A+ + B- - AB + A+ B- I composti ionici si dicono SALIUď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Esempio: cloruro di sodio

es: cloruro di sodio 1s 2s 2p 3s Na 1 (11) > 7 3s2 3p5 Cl + e- - > CI- Na+ + Cl -- > NaCl Coulombic bonding force Na+ CI- Na+ cr Na+ cr Na+ Na+ cr Na+ CI- Na+ cr Na+ cr Na+ cr Na+ cr REMEMBER CI- Na Na -> Na+ + e- Cl (17) 1 Il legame ionico è un legame non direzionale, cioè non necessita di una particolare orientazione tra le particelle!Uď'A Università degli Studi "G. d'Annunzio"

Legame covalente

Si instaura fra atomi non metallici che hanno tra loro una piccola o nulla differenza di elettronegatività. Prevede la condivisione di una (o più) coppie di elettroni tra due atomi (legame covalente semplice o multiplo): attraverso tale condivisione ciascun atomo raggiunge una configurazione stabile! - covalente puro (omopolare): avviene tra atomi di uno stesso elemento (AE=0) - covalente polare: avviene tra atomi di elementi diversi (ma con AE<1.9) H· · H - H-H - Formalismo di LEWIS Esempio: molecola di idrogeno H2 Î H2 2 1s1 1s1 + + + N.B. I due elettroni spaiati dei due orbitali 1s di ciascun H si collocano in un orbitale ottenuto dalla loro fusione detto orbitale di valenza.Uď'A Università degli Studi "G. d'Annunzio"

Esempi di legame covalente

- Esempi - O(8): 1s2 2s2 2p4 :0. . 0: - Ottetti € :ö=ö: 02 2 due coppie condivise di elettroni legame covalente doppio Molecola di Ossigeno N(7): 1s2 2s2 2p3 Ottetti Z : NGON: :NN: N. tre coppie condivise di elettroni legame covalente triplo Molecola di Azoto Legame covalente doppio, omopolare Legame covalente triplo, omopolare HCl, acido cloridrico δ+ δ- H . . CII H Legame polare: la coppia di e condivisa, risulta spostata verso l'atomo più elettronegativo (CI), e si forma dunque un dipolo, cioè una molecola neutra ma con una distribuzione di carica non uniforme (il baricentro delle cariche positive non coincide con quello delle cariche negative).Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Orbitali atomici e molecolari

Orbitali atomici e molecolari Il legame chimico covalente risulta dalla sovrapposizione di due orbitali atomici, contenenti ciascuno un e , per dare un unico orbitale molecolare di legame Orbitali 1s dell'H legame oss + + asse asse internucleare internucleare ++ · Due elettroni occupano una stessa regione caratterizzata da alta densità elettronica fra i due nuclei · Tale regione (detta di sovrapposizione) è definita dalla compenetrazione dei due orbitali atomici coinvolti · Un legame è tanto più stabile quanto maggiore è la sovrapposizione fra gli orbitali rispetto al volume totale degli orbitaliUď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Sovrapposizione degli orbitali

Orbitali atomici e molecolari Si possono avere diversi modi di sovrapposizione a seconda degli orbitali coinvolti: legame oss Legame o La sovrapposizione si ha lungo l'asse internucleare - + asse asse internucleare internucleare + legame osp asse + + asse N · internucleare F legame opp Simmetria cilindrica + + - asse internucleare O O internucleare - H internucleare asse -Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Legame Jpp e Legame ™

Orbitali atomici e molecolari + + asse asse internucleare internucleare legame Jpp Legame ™ La sovrapposizione si ha perpendicolarmente all'asse internucleare ! Tale tipo di sovrapposizione è minore rispetto a quella che si ottiene lungo l'asse internucleare, dunque il legame ¡ è più debole di quello o, e quindi gli elettroni coinvolti in tale legame sono più reattivi. REMEMBER - Poiché il legame covalente è basato sul concetto di sovrapposizione di orbitali atomici, si comprende che esso è fortemente direzionale!Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Legami multipli

Legami multipli + + 2s 2p IN + + O2 1s O2 2 + + - N + - 1 + + N2 1s Legame doppio Configurazione elettronica dell'ossigeno Legame triplo Configurazione elettronica dell'azoto 2s DOD 2p N2 2Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Orbitali atomici e molecolari

Orbitali atomici e molecolariUď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Legame metallico

Il legame metallico si trova nei metalli e nelle leghe. Può essere efficacemente schematizzato mediante un modello semplice che approssima molto bene la situazione reale. Tale modello ipotizza che il metallo sia costituito da un aggregato di ioni positivi in precise posizioni di una struttura ordinata e compatta (reticolo), in cui gli elettroni di valenza hanno una grande mobilità. In base a tale modello, gli elettroni di valenza non sono legati ad un particolare atomo, ma sono liberi di muoversi nell'intero reticolo! + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ - - - - + + + Positive ions from the metal - - - - - - - - + + - + - - - + - + - - - - - Electron cloud that doesn't belong to any one metal ion - -Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Modello del legame metallico

Modello: ioni positivi immersi in una nuvola elettronica, costituita dagli elettroni di valenza delocalizzati sull'intero reticolo. Elettroni mobili Ioni positivi Questo tipo di modello giustifica le principali proprietà dei metalli: · Elevata conducibilità elettrica · Elevata conducibilità termica · Elevata densità

• Duttilità REMEMBER In base a tale modello, il legame metallico è non direzionale!Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Riepilogo dei legami

Quando due atomi si legano fra loro si assiste ad una ridistribuzione degli elettroni di valenza coinvolti nella formazione del legame Se gli elettroni si trasferiscono su uno dei due atomi si ha un LEGAME IONICO Se gli elettroni sono "condivisi" fra i due atomo si ha un LEGAME COVALENTE Si forma tra due elementi con diversa E (uno elettropositivo e l'altro elettronegativo) Si forma fra elementi con uguale o simile E Fra elementi molto poco elettronegativi si formano LEGAMI METALLICI (gli elettroni sono liberi di muoversi fra un numero elevato di atomi)Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Legami Secondari

Forze di Van der Waals

Forze di Van der Waals Sono legami intermolecolari, che si instaurano cioè tra molecole. I legami secondari, o legami fisici, sono legami decisamente più deboli dei legami primari o chimici, con un'energia di legame circa cento volte inferiore rispetto a quella di un legame covalente o ionico. Hanno un breve raggio d'azione e la loro intensità diminuisce rapidamente all'aumentare della distanza tra le molecole. I legami secondari si riscontrano nei gas nobili e tra strutture molecolari costituite da molecole legate tra loro da legami covalenti. Sono dovuti alla formazione di DIPOLI Interazioni dipolo-dipolo Interazioni dipolo permanente - dipolo indotto Legame a idrogenoUď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Interazioni dipolo-dipolo permanenti

Interazioni dipolo-dipolo Interazioni dipolo permanente - dipolo permanente Si stabilisce tra molecole polari in cui è presente un legame covalente. Il dipolo elettrico formato dalle molecole si orienta nello spazio, orientando a sua volta le molecole simili vicine. Tra dipoli permanenti si creano attrazioni 8+ e 8 -. + 1 + I + I + I + - - + 1 + 1 + + + + I + 1 + 1 + 1 + 1 I + I + 1 + 1 + 1 + 8- 8+ 8- 8+ 8- 8+ :x -H - :X-H :X-H 8+ I CI 8- I 8+ H CI 8-Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Interazioni dipolo permanente - dipolo indotto

Interazioni dipolo-dipolo · Interazioni dipolo permanente - dipolo indotto Un dipolo permanente può indurre in una molecola apolare la formazione di un dipolo, con conseguente interazione. Condizione iniziale + - dipolo permanente molecola apolare Condizione di induzione 8- 8+ 8+ + - + - dipolo permanente dipolo indotto + - H 8+ 8- Br - Br H Dipolo permanente Dipolo indottoUď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Legame idrogeno

Il legame idrogeno è l'interazione più forte tra quelle dipolo-dipolo. Si manifesta tra l'atomo di idrogeno in un legame polare (in particolare un legame H- F, H-O, H-N) e una coppia elettronica non condivisa presente su un altro atomo (solitamente un atomo F, O, N in un'altra molecola). Es: H2O O H O 8 Legame idrogeno 8- 8% H 8+ H 104.5° 8+ 8 H 1 P 104.5° Legame a ponte di idrogeno H 8Uď'A Università degli Studi "G, d'Annunzio"

Caratteristiche dell'H2O

Grazie a tale legame ci spieghiamo molte caratteristiche dell'H2O, quali l'elevata Teb, la densità allo stato solido minore di quella allo stato liquido, etc ... N.B. La densità del ghiaccio a 0℃ è inferiore a quella dell'acqua liquida a 0℃ (di circa il 9%). Paraffina H2O 2,8Å 1,8Å 1,0Å 28- 28 (a) (b) 8+ 8+ 8+ Legame idrogeno 8+ (c)