Introduzione alla chimica

Termini

• Energia di legameUna misura della forza di un legame chimico. Si determina sperimentalmente misurando il calore (o entalpia) richiesto per rompere una mole di molecole nei loro singoli atomi costituenti.
• entalpiaIn termodinamica, una misura del contenuto di calore di un sistema chimico o fisico, misurata in condizioni di pressione costante.
• Curva di MorseUn grafico che mostra la dipendenza dell’energia associata a un sistema di due atomi dalla distanza tra loro (indicata come “distanza internucleare”).
• Lunghezza del legame di equilibrioLa distanza media tra due atomi quando sono legati tra loro.

L’energia associata a un legame chimico

L’energia di legame è una misura della forza di un legame chimico, cioè ci dice quanto è probabile che una coppia di atomi resti legata in presenza di perturbazioni energetiche. In alternativa, può essere pensata come una misura della stabilità ottenuta quando due atomi si legano tra loro, rispetto ai loro stati liberi o non legati.

L’energia di legame è determinata misurando il calore richiesto per rompere una mole di molecole nei loro singoli atomi, e rappresenta l’energia media associata alla rottura dei singoli legami di una molecola. Più alta è l’energia di legame, più “forte” diciamo che il legame è tra i due atomi, e la distanza tra loro (lunghezza del legame) è minore.

Per esempio, il legame HO-H in una molecola d’acqua richiede 493 kJ/mol per rompersi e generare lo ione idrossido (OH-). La rottura del legame O-H nello ione idrossido richiede altri 424 kJ/mol. Pertanto, l’energia di legame dei legami covalenti O-H nell’acqua è riportata come la media dei due valori, ovvero 458,9 kJ/mol. Questi valori di energia (493 e 424 kJ/mol) richiesti per rompere successivi legami O-H nella molecola d’acqua sono chiamati “energie di dissociazione del legame” e sono diversi dall’energia di legame. L’energia di legame è la media delle energie di dissociazione dei legami in una molecola.

Le proprietà esatte di un tipo specifico di legame sono determinate in parte dalla natura degli altri legami nella molecola; per esempio, l’energia e la lunghezza del legame C-H variano a seconda di quali altri atomi sono legati all’atomo di carbonio. Allo stesso modo, la lunghezza del legame C-H può variare anche del 4% tra molecole diverse. Per questo motivo, i valori elencati nelle tabelle dell’energia di legame e della lunghezza del legame sono di solito medie prese su una varietà di composti che contengono una specifica coppia di atomi.

Possiamo applicare i valori dell’energia di legame per determinare l’entalpia di formazione di un composto, \Delta H_f, che può essere approssimata semplicemente aggiungendo valori tabulati per le energie di legame di tutti i legami creati. L’accuratezza di questo metodo è entro pochi punti percentuali dei valori \Delta H_f determinati sperimentalmente.

Energia tra due atomi in funzione della distanza internucleare

Una curva di Morse mostra come l’energia di un sistema a due atomi cambia in funzione della distanza internucleare.

A grandi distanze, l’energia è zero, il che significa che non c’è interazione. Questo è d’accordo con la nostra comprensione che due atomi posti a distanza infinita non interagiscono tra loro in nessun modo significativo, o per lo meno possiamo dire che non sono legati tra loro. A distanze internucleari dell’ordine di un diametro atomico, dominano le forze attrattive. A distanze molto piccole tra i due atomi, la forza è repulsiva e l’energia del sistema a due atomi è molto alta. Le forze attrattive e repulsive sono bilanciate nel punto minimo del grafico di una curva di Morse.

La distanza internucleare alla quale si verifica il minimo energetico definisce la lunghezza del legame di equilibrio. Questa lunghezza di legame rappresenta un valore di “equilibrio” perché il movimento termico fa vibrare i due atomi intorno a questa distanza, proprio come una molla vibra avanti e indietro intorno alla sua distanza non tesa, o di equilibrio.

Una curva di Morse avrà diversi minimi di energia e dipendenza dalla distanza per legami formati tra diverse coppie di atomi. In generale, più forte è il legame tra due atomi, più basso è il minimo di energia e più piccola è la lunghezza del legame.

L’energia di legame è la quantità di lavoro che deve essere fatta per separare completamente due atomi; in altre parole, è la stessa della profondità del “pozzo” nella curva di energia potenziale.