FORMULE DI STRUTTURA E GEOMETRIE MOLECOLARI

FORMULE DI STRUTTURA GEOMETRIE MOLECOLARI CHIMICA COVALENTE DI ELEMENTI DEL II E III PERIODO LEGAME DATIVO ACIDI E BASI DI LEWIS STRUTTURE DI COMPOSTI ORGANICI

FORMULE DI STRUTTURA La tavola periodica riporta le caratteristiche degli atomi isolati, non impegnati in legami chimici. Quando gli atomi interagiscono (le interazioni sono di tipo coulombiano e quindi sono attive quando sono sufficientemente vicini) possono dar luogo ai composti chimici. Lobiettivo raggiungere attraverso lo scambio o la messa in compartecipazioni di elettroni una struttura elettronica caratterizzata da strati completi (tipo gas nobili). Gli elementi non metallici formano tra loro composti molecolari: aggregati di atomi uniti tra loro da legami covalenti. Le formule di struttura secondo Lewis permettono di evidenziare I legami tra gli atomi e le coppie solitarie presenti nello strato di valenza nel formalismo a punti o a trattini; non forniscono informazioni sulla geometria molecolare. Carbonio: struttura elettronica come atomo isolato 1s2 2s22p2 , 1s2 strato completo, 2s22p2 strato di valenza; nei suoi composti promuove sempre lelettrone della coppia solitaria 2s2 all orbitale p vuoto in modo da avere 4 elettroni spaiati. La loro messa in compartecipazione con altri 4 elettroni di altrettanti atomi di idrogeno permette al carbonio di raggiungere la configurazione stabile dellottetto completo. A sua volta, ogni singolo atomo di H, con i due elettroni di legame, raggiunge anchesso lo strato completo 1s2. Il Carbonio forma sempre 4 legami che possono essere semplici o multipli secondo le seguenti combinazioni:C C C

H H C H H

C

GEOMETRIE MOLECOLARI Le geometrie molecolari sono determinate dalle caratteristiche direzionali degli orbitali che si sovrappongono per formare il legame covalente. . Per determinare la geometria di una molecola possibile utilizzare il metodo della repulsione delle coppie di elettroni o V.S.E.P.R. (Valence Shell Electron Pair Repulsion). Il fondamento fisico di questo modello si basa sul fatto che le nuvole elettroniche costituite dalle coppie di elettroni intorno ad un atomo si respingono e tendono ad disporsi il pi distante possibile tra loro. Le coppie di elettroni possono essere sia coppie di legame che coppie solitarie; le coppie dei legami non vengono considerate perch costituiscono ununica nuvola insieme a quella di tipo . In base al numero di nuvole elettroniche presenti intorno ad un atomo si determina la geometria di minima repulsione:

n. Coppie 2 3 4 5 6

Geometria Lineare Trigonale planare Tetraedrica Trigonale bipiramidale Ottaedrica

Angoli 180 120 109 120, 90 90

Gli angoli definiti dalle condizioni di minima repulsione tra le nuvole elettroniche non sono compatibili con le caratteristiche degli orbitali atomici p o d puri. Le miscelazioni degli orbitali atomici puri (combinazioni lineari delle funzioni atomiche orbitali ibridi) producono tuttavia le stesse geometrie del modello VSEPR. Le strutture di legame caratteristiche dei vari elementi possono ora essere collegate alle loro specifiche geometrie ed ibridazioni:C C C C

Tetraedrica sp3

trigonale planare sp2

lineare sp

lineare sp

Azoto: struttura elettronica come atomo isolato 1s2 2s22p3 , 1s2 strato completo, 2s22p3 strato di valenza.

H N H H

Lazoto presenta normalmente covalenza 3. La presenza di una coppia solitaria gli permette di formare un ulteriore legame con atomi che presentano un orbitale vuoto. Il legame covalente costituito da una coppia di elettroni condivisa; la coppia pu essere formata dallaccoppiamento di due elettroni spaiati provenienti da due atomi diversi oppure da una coppia solitaria di un atomo che interagisce con un orbitale vuoto di un altro atomo. Il donatore della coppia solitaria viene chiamato base di Lewis, laccettore acido di Lewis. Il legame formato, che un normale legame covalente, chiamato legame dativo e si indica con una freccia dal donatore allaccettore. Le possibile strutture di legame dellazoto con valenza 3 sono:N

Ntrigonale planare sp2

Nlineare sp

N

Tetraedrica sp3

Tetraedrica sp3

Se lazoto usa la sua coppia solitaria per formare un legame dativo la valenza sale a 4. Lazoto, come tutti gli elementi del 2 periodo non pu formare pi di 4 legami perch possiede solo 4 orbitali di valenza: il 2s e i tre 2p.

ammoniaca

Ione ammonio

Ossigeno: struttura elettronica come atomo isolato 1s2 2s22p4 , 1s2 strato completo, 2s22p4 strato di valenza.

H

O

H

Lossigeno raggiunge lottetto mettendo in compartecipazione i due elettroni spaiati, quindi bivalente. Pu formare un ulteriore legame come donatore di una coppia solitaria (base di Lewis). O O OIone idronio

Tetraedrica sp3

tetraedrica sp3

Fluoro: struttura elettronica come atomo isolato 1s2 2s22p5 , 1s2 strato completo, 2s22p5 strato di valenza.

H F

Il fluoro monovalente; in alcuni casi pu agire da base di Lewis donando una o pi delle sue coppie solitarie. Neon: struttura elettronica come atomo isolato 1s2 2s22p6 , 1s2 strato completo, 2s22p6 strato completo. Col Neon si completa lottetto ed il secondo strato; non forma legami chimici.

Boro: struttura elettronica come atomo isolato 1s2 2s22p1 , 1s2 strato completo, 2s22p1 strato di valenza. Il boro, nel tentativo di completare lo strato, promuove un elettrone da 2s a 2p; con tre elettroni spaiati pu formare tre legami raggiungendo per solo 6 elettroni nello strato esterno. Il triidruro di boro quindi una molecola molto reattiva per la presenza di un orbitale vuoto che gli conferisce il carattere di acido di Lewis. Una molecola di ammoniaca NH3 reagisce con il BH3 donando la coppia solitaria allorbitale vuoto del boro formando un legame dativo. Laddotto che si forma stabile perch tutti gli atomi hanno ora completato lottetto.

Fosforo: struttura elettronica come atomo isolato [Ne] 3s23p3 strato di valenza. Pu promuovere un elettrone al livello 3d (espansione dellottetto). Valenze 3 e 5.P P P

Tetraedrica trigonale bipiramidale tetraedrica sp3 sp3 d sp3

Zolfo: struttura elettronica come atomo isolato [Ne] 3s23p4 strato di valenza. Pu promuovere uno o due elettroni al livello 3d (espansione dellottetto). Valenze 2, 4 e 6.S S S S Stetraedrica

Tetraedrica, trigonale bipiramidale, ottaedrica, tetraedrica

Cloro: struttura elettronica come atomo isolato [Ne] 3s23p5 strato di valenza. Pu promuovere fino a tre elettroni al livello 3d (espansione dellottetto). Valenze 1, 3, 5 e 7.Cl Cl Cl Cl Cltetraedrica

Cltetraedrica

Cltetraedrica

Tetraedrica, trigonale bipiramidale,

STRUTTURE MOLECOLARI DI COMPOSTI ORGANICIMetano CH4: Il C forma 4 legami per raggiungere lottetto. Assume una geometria tetraedrica, essendoci intorno al C quattro coppie di legame. Ognuno dei quattro orbitali ibridi sp3, miscelazioni di 2s e i tre 2p puri, contiene un elettrone spaiato che viene messo in compartecipazione con quello dellidrogeno.

Etene o etilene C2H4: Il C forma un legame doppio con un secondo carbonio. La geometria intorno al singolo atomo di C trigonale planare (120). Vengono usati i tre orbitali ibridi sp2, miscelazione di 2s e due degli orbitali 2p, per la formazione dei legami con i due H e laltro C. Il restante orbitale 2p non ibridizzato viene impiegato per formare il legame . Il legame impedisce la rotazione di un gruppo CH2 rispetto allaltro (la rotazione porterebbe infatti alla rottura del legame). I sei atomi che costituiscono la molecola vengono cos a trovarsi tutti sullo stesso piano.

Etino o acetilene C2H2: Latomo di carbonio forma un triplo legame con il secondo C. La geometria del gruppo H-C-C lineare; il C centrale circondato da due nuvole elettroniche. I legami sono costituiti dai due ibridi sp; i due orbitali 2p non ibridizzati formano due legami su piani perpendicolari. I quattro atomi sono disposti tutti su ununica linea.

IL BENZENEBenzene: capostipite degli idrocarburi aromatici. Il C presenta una geometria trigonale planare (ibridi sp2), ne deriva che i 12 atomi si trovano tutti sullo stesso piano. La formula di struttura presenta gli atomi di C legati da legami doppi e singoli alternati che dovrebbero essere caratterizzati da lunghezze di legame diverse. In realt le lunghezze di legame C-C sperimentali sono tutte identiche e intermedie tra quelle tipiche dei legami singoli e doppi. La ragione risiede nel processo di delocalizzazione elettronica che interviene in molte struttura atomiche planari. La struttura elettronica del benzene costituita da unossatura di legami determinata dagli orbitali ibridi sp2 ed una struttura creata dagli orbitali p (uno per C) non impegnati negli ibridi. Ognuno di questi p vede un intorno identico e si sovrappone allo stesso modo con I due p contigui formando una sorta di ciambella di densit elettronica sopra e sotto il piano atomico. I sei elettroni contenuti in questi orbitali si muovono quindi indifferentemente su tutti I sei atomi di carbonio dando luogo al fenomeno della delocalizzazione.

Tre diverse rappresentazioni del benzene

Nel formalismo del legame di valenza non possibile rappresentare il fenomeno della delocalizzazione elettronica con ununica formula di struttura. Per definire la reale struttura del benzene si ricorre al concetto di risonanza, considerando il benzene come ibrido di risonanza tra le due formule limiti A e B, ognuna delle quali mantiene la stessa disposizione degli atomi, ma cambia il modo di scrivere gli elettroni impegnati nei legami.

A

B