Le forze intermolecolari
Le forze intermolecolari sono forze di natura
elettrostatica che mantengono le molecole vicine tra loro.
Sono attrazioni più deboli dei legami veri e propri, poiché
si instaurano fra molecole che già possiedono legami
capaci di esistere in forma stabile.
Sono importanti nel determinare le proprietà fisiche delle
sostanze (stati di aggregazione, temperature di fusione,
ebollizione,…).
Si conoscono due tipi di legami intermolecolari
1. forze dipolo-dipolo e di London;
2. legame a idrogeno.
Valitutti,Tifi, Gentile, Esploriamo la chimica © Zanichelli editore 2010
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Generalità
I legami secondari
•
Sono sempre interazioni elettrostatiche
•
Sono interazioni intermolecolari
•
Sono interazioni di tipo fisico
– Reversibili: si formano e si rompono con poca spesa
energetica e non modificano la natura intima della materia
Spiegano il comportamento e le caratteristiche di
moltissimi materiali e sostanze
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FORZE INTERMOLECOLARI
Per un gas quale il neon che non forma legami chimici, sarebbe
logico attendersi che rimanga gassoso a qualsiasi temperatura. In
realtà il neon liquefa a 1 atm a –246°C e a temperature più basse
può persino solidificare. Per qualsiasi sostanza il comportamento
microscopico nelle transizioni di fase può essere schematizzato:
La formazione degli stati solido e liquido per qualsiasi sostanza
suggerisce che tra le molecole o atomi di tale sostanza debbano
esistere forze molecolari anche se, come nel caso degli atomi di
Ne , molto deboli.
Queste deboli forze attrattive, generalmente chiamate forze
intermolecolari, si esercitano tra gli atomi o tra le molecole di un
composto.
Le corrispondenti energie di attrazione sono molto inferiori alle
energie di legame che legano fra loro gli atomi di una molecola.
Ad esempio l’energia di attrazione fra molecole di cloro è molto
inferiore all’energia di legame fra i due atomi nella molecola di
cloro stessa
E(Cl-Cl)=240 kJ/mol
E(Cl2----Cl2)=3,0 kJ/mol
Le forze intermolecolari sono però molto importanti perchè sono
quelle che permettono la formazione dei liquidi e di alcuni tipi di
solidi.
Uno schema
Forze di Van der Waals
Legame
a idrogeno
Interazioni
dipolo-dipolo
Forze di London
3. Le forze dipolo-dipolo e le forze di London
Legame dipolo-dipolo
Le molecole polari che hanno momento dipolare
complessivo diverso da zero, si dicono dipoli
permanenti.
I legami elettrostatici tra dipoli permanenti sono
chiamati forze dipolo-dipolo.
Le forze dipolo-dipolo sono
forze di attrazione tra dipoli,
in qualsiasi stato fisico si
trovino.
LEGAME DIPOLO - DIPOLO
+
-
+
+
-
+
-
-
attrazione
repulsione
Legami dipolo-dipolo
Tutte le molecole polari possono formare interazioni dipolodipolo con intensità variabile
Sono responsabili dello stato fisico di molti materiali
δ-
δ+
Cl H
δ-
δ+
Cl H
δ-
δ+
Cl H
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Forze
di
London
3. Le forze dipolo-dipolo e le forze di London
Si formano fra molecole non polari; si instaurano perché si può ritenere che,
in istanti definiti, il movimento degli elettroni provoca la formazione di dipoli
istantanei che cambiano continuamente e polarizzano le molecole vicine.
Le forze di London sono interazioni elettrostatiche dovute
all’attrazione fra molecole apolari che formano dipoli temporanei a
causa dello sbilanciamento della distribuzione degli elettroni.
Forze di London
Forze elettrostatiche fra dipoli istantanei presentano cariche
parziali, dovute alla distribuzione non uniforme nel tempo della
densità elettronica attorno ai nuclei. Sono le uniche possibili nel
caso di molecole non polari.
Anche per le molecole non polari esiste una probabilità che in un
certo istante gli elettroni si concentrino casualmente in una
parte di un atomo o di una molecola. Di conseguenza è possibile lo
spostamento di elettroni in un altro atomo o molecola vicini per
produrre un altro dipolo per induzione.
Queste forze crescono all’aumentare della massa molecolare (più
elettroni) e dipendono anche dalla forma molecolare (maggiori in
molecole più allungate e meno simmetriche).
Legame idrogeno
Il legame a idrogeno è una forza attrattiva che si
instaura tra molecole che contengono un atomo di
idrogeno legato covalentemente a un atomo piccolo,
molto elettronegativo e con una coppia elettronica libera
(N, O, F).
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Il legame a idrogeno
• Il legame a idrogeno, o a ponte di idrogeno, è un legame
che si forma fra molecole che contengono un atomo di
idrogeno legato ad un altro atomo più elettronegativo e di
piccole dimensioni.
Idrogeno
Molecola
Atomo di piccole
dimensioni +
elettronegativo
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Il legame a idrogeno
In queste molecole Il legame
è covalente polare, con
polarità accentuata:
 l’atomo di idrogeno è
parzialmente positivo
 l’altro atomo è
parzialmente negativo.
• l’altro atomo
possiede un doppietto
elettronico libero
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Il legame a idrogeno
Si stabilisce allora un ’ attrazione elettrostatica fra
l’atomo di idrogeno di una molecola e l’altro atomo di
un’altra molecola.
+
+
-
+
-
+
Attrazione
elettrostatica
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Gli atomi che sono allo stesso tempo sufficientemente
elettronegativi e piccoli sono soltanto tre: quelli dell’azoto,
dell’ossigeno e del fluoro.
Quindi si formano legami a idrogeno quando un atomo di
idrogeno è legato a uno di questi tre atomi.
Vediamo in dettaglio:
 la molecola dell’acqua
(H2O)
 la molecola del fluoruro di
idrogeno (HF)
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Il legame a idrogeno fra due
molecole di acqua
Quando due molecole di acqua si avvicinano, si stabilisce
un’attrazione elettrostatica fra l’atomo di ossigeno di una
di esse e uno degli atomi di idrogeno dell’altra. Si forma
così un legame a idrogeno fra le due molecole.
(–)
Hydrogen
bond
(+)
H
(+)
O
(–)
(–)
H (+
)
(–)
(+)
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LEGAMI A IDROGENO NELLA MOLECOLA DI
ACQUA (H2O)
Nella molecola di acqua, l’atomo di ossigeno è parzialmente negativo,
mentre i due atomi di idrogeno sono parzialmente positivi. Quando due
molecole di acqua si avvicinano, si stabilisce un’attrazione elettrostatica
fra l’atomo di ossigeno di una di esse e uno degli atomi di idrogeno
dell’altra. Si forma così un legame a idrogeno fra le due molecole.
d+
d-
d+
d+
d-
d+
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Il legame a idrogeno è la più grande forza attrattiva
intermolecolare ma è circa 10 volte più debole di un
legame covalente.
Le proprietà dell’acqua dipendono dal legame a idrogeno.
Il legame a idrogeno influisce sulle proprietà fisiche delle
sostanze che lo contengono.
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Il legame a idrogeno nell’acqua
L’acqua è la sostanza più comune
in cui è presente il legame a
idrogeno. Una molecola di acqua
è legata da legami a idrogeno ad
altre quattro secondo una
disposizione tetraedrica.
Legami ad idrogeno nell’acqua
Stato liquido
Stato solido
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Il legame ad idrogeno conferisce all’acqua due proprietà
fondamentali:
• Allo stato liquido determina una temperatura di
ebollizione di 100°C. I assenza del legame ad
idrogeno la temperatura di ebollizione sarebbe di 80°C, l’acqua sarebbe tutta allo stato aeriforme e non
ci sarebbe la vita sulla Terra.
• Allo stato solido fa assumere alla molecola d’acqua
una disposizione esagonale: ciò comporta un aumento
di volume rispetto allo stato liquido e di conseguenza
una minore densità del ghiaccio rispetto a quella
dell’acqua.
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LEGAMI A IDROGENO NELLA MOLECOLA DI
FLUORURO DI IDROGENO (FCl)
L’attrazione elettrostatica si stabilisce fra l’atomo di idrogeno di una
molecola e l’atomo di fluoro di un’altra molecola. Si formano così
catene di molecole di fluoruro di idrogeno (o acido fluoridrico).
d+ d-
H
F
d+ d-
H
F
d+ d-
H
F
d+ d-
H
F
d+ d-
H
F
legame a
idrogen
o
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Legami a confronto
La forza di legame è legata all’energia necessaria per
allontanare particelle legate tra loro.
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Legami a confronto
La scala di energia dei legami atomici è assai diversa da
quella delle forze intermolecolari.
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