Legami chimici e geometria delle molecole

Con i valori della tabella, che legame c’è fra idrogeno e ossigeno nell’acqua?

Covalente polare, con la carica parziale negativa sull’ossigeno. ΔEN = 3,5 − 2,1 = 1,4: sta fra 0,4 e 1,9, quindi covalente polare. Gli elettroni stanno più vicini all’ossigeno, che è il più elettronegativo, e lì compare δ−. Due non metalli non garantiscono un legame apolare: lo garantisce solo una ΔEN quasi nulla.

Nello ione ammonio NH₄⁺ i quattro legami N–H sono:

Identici, pur derivando da un legame dativo. Il legame dativo si distingue solo per come si è formato (la coppia viene tutta dall’azoto), non per come è fatto: una volta formato, i quattro legami N–H sono uguali e lo ione è un tetraedro perfetto.

Quante coppie solitarie ha l’atomo centrale nella molecola d’acqua, H₂O?

Due. Elettroni di valenza: 6 + 2 × 1 = 8. Due legami O–H ne usano 4, i 4 rimasti sono due coppie solitarie sull’ossigeno. Quattro è il numero di domini elettronici totali (2 legami + 2 coppie), non di coppie solitarie.

Che forma ha l’anidride solforosa, SO₂, con due legami S=O e una coppia solitaria sullo zolfo?

Angolata, con un angolo di circa 119°. Due doppi legami contano due domini, la coppia solitaria il terzo: tre domini, disposizione trigonale planare. Guardando solo gli atomi la forma è angolata, a poco meno di 120°. Lineare sarebbe con soli due domini, come in CO₂, dove il carbonio non ha coppie solitarie. I 104,5° sono dell’acqua, che di domini ne ha quattro.

Quanti legami σ e quanti π ci sono nell’acido cianidrico, H–C≡N?

2 σ e 2 π. Il legame C–H è un σ. Il triplo legame C≡N è un σ più due π. Totale: 2 σ e 2 π. L’errore tipico è contare il triplo come tre π: ogni legame, singolo o multiplo, contiene sempre esattamente un σ.

Una sostanza fonde a 850 °C, è fragile, non conduce da solida ma conduce una volta fusa. Che legame ha?

Ionico. Conduttività solo allo stato fuso è la firma degli ioni: nel solido sono bloccati nel reticolo, nel fuso si muovono. Un metallo condurrebbe anche da solido; un covalente reticolare come il diamante non condurrebbe neanche fuso.

Quale di queste sostanze forma legami a idrogeno fra le proprie molecole?

Ammoniaca, NH₃. Serve un idrogeno legato direttamente a N, O o F. Nell’ammoniaca c’è (N–H), e l’azoto ha anche la coppia solitaria che lo accoglie. HCl è polare ma il cloro, pur elettronegativo, è troppo grande: fa interazioni dipolo–dipolo. Nel metano gli H sono legati al carbonio, poco elettronegativo.

Perché la CO₂ è apolare anche se i legami C=O sono polari?

Perché è lineare e i due dipoli, uguali e opposti, si annullano. ΔEN fra C e O è 1,0, quindi ogni legame è polare. Ma la molecola è dritta: i due dipoli puntano in versi opposti e si cancellano. Nell’acqua, angolata, non si cancellano. Il carbonio della CO₂ non ha coppie solitarie: sono sugli ossigeni.

Quale coppia di atomi forma il legame con il maggior carattere ionico?

K e F. Il potassio è fra i meno elettronegativi (0,8) e il fluoro il più elettronegativo (4,0): ΔEN = 3,2, la più grande. Na–Cl è 2,1, Mg–O 2,3; H–F e C–O sono covalenti polari.

Il legame fra due atomi di cloro in Cl₂ è:

Covalente puro. Due atomi identici hanno la stessa elettronegatività: ΔEN = 0, la coppia è condivisa in modo perfettamente uguale. Il cloro è molto elettronegativo, ma lo sono tutti e due allo stesso modo.

Quale sostanza conduce la corrente elettrica allo stato solido?

Rame. Solo il legame metallico ha elettroni liberi di muoversi anche nel solido. NaCl conduce solo fuso o sciolto; saccarosio e ghiaccio sono molecolari; il diamante è covalente reticolare con tutti gli elettroni impegnati nei legami.

Nella formazione di NH₄⁺ da NH₃ e H⁺ si forma un legame:

Dativo, con la coppia solitaria dell’azoto. H⁺ non ha elettroni: entrambi quelli del nuovo legame vengono dalla coppia solitaria dell’azoto. Un legame con un elettrone per parte è un normale covalente, non dativo.

Quanti elettroni di valenza ha in totale lo ione nitrato, NO₃⁻?

Quale molecola NON rispetta la regola dell’ottetto sull’atomo centrale?

BF₃. Il boro ha 3 elettroni di valenza e fa tre legami: 6 elettroni attorno, ottetto incompleto. È ciò che rende BF₃ un acido di Lewis, avido di una coppia di elettroni.

Quale carica formale ha l’azoto nello ione ammonio NH₄⁺?

+1. CF = 5 − 0 − 8/2 = +1. L’azoto ha 5 elettroni di valenza, nessuna coppia solitaria e quattro legami (8 elettroni di legame). −3 è il suo numero di ossidazione, un’altra grandezza.

Il punto di fusione dei composti ionici è in genere alto perché:

Ogni ione è attratto da ioni di carica opposta. In un reticolo ionico non ci sono molecole separate: ogni Na⁺ è circondato da sei Cl⁻ e viceversa, in tutto il cristallo. Per fondere bisogna vincere un’attrazione elettrostatica estesa.

Che geometria ha la molecola BeCl₂?

Lineare. Il berillio ha 2 elettroni di valenza, fa due legami e non ha coppie solitarie: due domini, 180°. Somiglia all’acqua solo nella formula: l’acqua ha due coppie solitarie in più e per questo è angolata.

L’angolo di legame H–N–H nell’ammoniaca è circa:

107°. Quattro domini (tetraedro, 109,5°) di cui uno è una coppia solitaria che stringe i legami a circa 107°. 104,5° è l’acqua, che ha due coppie solitarie.

Quale molecola è trigonale planare?

SO₃. Nello SO₃ lo zolfo ha tre legami e nessuna coppia solitaria: tre domini, piano, 120°. NH₃, PCl₃ e H₃O⁺ hanno tre atomi legati ma anche una coppia solitaria, quindi sono piramidali. SO₂ è angolata.

Che ibridazione ha il carbonio nell’etino (acetilene), H–C≡C–H?

sp. Ogni carbonio ha due domini (il legame con H e il triplo legame): due orbitali sp lineari per i σ, due orbitali p non ibridati per i due π.

Quale di queste molecole è polare?

CHCl₃. Il cloroformio è tetraedrico ma con un sostituente diverso dagli altri (un H fra tre Cl): i dipoli non si compensano. Le altre quattro hanno geometrie simmetriche con sostituenti tutti uguali.

In una molecola, un legame π:

Si forma per sovrapposizione laterale di orbitali p. Il π nasce dalla sovrapposizione laterale, sopra e sotto l’asse, è più debole del σ e blocca la rotazione (ecco perché esistono isomeri cis e trans). Fra due atomi c’è sempre prima un σ.

Quanti legami σ ci sono in una molecola di etano, C₂H₆?

Lo ione idronio H₃O⁺ ha forma:

Piramidale trigonale. L’ossigeno ha tre legami con H e una coppia solitaria rimasta (l’altra è servita a catturare H⁺): quattro domini, una coppia solitaria, come l’ammoniaca.

Nella molecola di metano l’angolo H–C–H misura 109,5 gradi.

Quattro domini senza coppie solitarie si dispongono a tetraedro: 109,5°.

La differenza di elettronegatività fra sodio (0,9) e cloro (3,0) vale 2,1.

3,0 − 0,9 = 2,1: oltre la soglia di 1,9, quindi legame ionico.

Un legame triplo è formato da un legame σ e da 2 legami π.

Ogni legame contiene un solo σ; i legami in più sono π. Triplo = 1 σ + 2 π.

Lo ione solfato SO₄²⁻ ha in tutto 32 elettroni di valenza.

Zolfo 6 + quattro ossigeni 4 × 6 = 24, più 2 per la carica: 6 + 24 + 2 = 32.

Nella molecola di BF₃ il boro è ibridato sp2.

Tre domini (tre legami B–F, nessuna coppia solitaria): tre orbitali ibridi sp², piano a 120°.

Nella molecola d’acqua l’ossigeno porta 2 coppie solitarie.

8 elettroni di valenza, 4 nei due legami O–H, 4 in due coppie solitarie.

La forza intermolecolare presente in tutte le molecole, anche apolari, è detta forza di London.

Le forze di London (o di dispersione) nascono da dipoli istantanei e agiscono fra tutte le molecole.

Nella molecola di propene, CH₂=CH–CH₃, ci sono in tutto 8 legami σ.

Sei legami C–H, due legami C–C (uno nel doppio, uno singolo): 6 + 2 = 8 σ, più 1 π nel doppio legame.

Quale dei quattro liquidi è apolare, pur avendo legami polari?

CCl₄. Il tetracloruro è un tetraedro con quattro Cl identici: i quattro dipoli C–Cl si annullano. Il diclorometano è anch’esso tetraedrico, ma con due H e due Cl i dipoli non si compensano.

Quanti domini elettronici ha l’atomo di azoto nell’ammoniaca?

4 domini. Tre legami N–H più una coppia solitaria: quattro domini, disposizione tetraedrica, forma piramidale.

Qual è, in gradi, l’angolo di legame H–O–H nell’acqua?

104.5 °. Due coppie solitarie stringono l’angolo dai 109,5° del tetraedro a 104,5°.

Aggiungi qualche cristallo di iodio (I₂) a ciascun flacone. In quale si scioglierà meglio?

CCl₄. Lo iodio è apolare: si scioglie in un solvente apolare, dove le forze di London fra soluto e solvente sostituiscono quelle che rompe. In acqua resta quasi tutto sul fondo.

Calcola il carattere ionico percentuale del legame C–Cl (EN 2,5 e 3,0) con la formula di Pauling. Arrotonda all’unità.

6 %. ΔEN² / 4 = 0,25 / 4 = 0,0625; 1 − e^(−0,0625) ≈ 0,061, cioè circa il 6%: un legame covalente debolmente polare.

Ordina per punto di ebollizione crescente: CCl₄ (77 °C), NH₃ (−33 °C), H₂O (100 °C). Quale spiegazione è corretta?

NH₃ bolle più in basso di CCl₄ perché la sua molecola è piccola. L’ammoniaca fa legami a idrogeno, ma è piccola (massa 17). Il tetracloruro è apolare ma pesante (massa 154) e molto polarizzabile: le sue forze di London superano i legami a idrogeno dell’ammoniaca. L’acqua resta in cima perché ogni molecola può fare fino a quattro legami a idrogeno.