6. Le molecole

6 Le molecole Gli atomi, come le lettere dell’alfabeto, possono legarsi tra loro a formare delle “parole” che vengono dette molecole e che costituiscono il più piccolo aggregato di atomi che caratterizza una sostanza. Come si rappresentano le molecole? Spesso per rappresentare gli atomi dei diversi elementi si usano come semplici modelli delle palline di colore e grandezze differenti. NOME IDROGENO OSSIGENO CARBONIO SIMBOLO H O C MODELLO Nelle fotografie che seguono le palline di diverso colore sono state combinate tra loro per costruire le molecole di alcune sostanze: l’acqua, l’ossigeno, l’anidride carbonica e il metano. Quando si vuole rappresentare una molecola, però, è scomodo ricorrere tutte le volte al modello con le palline; perciò in chimica si utilizzano le formule, nelle quali gli atomi che costituiscono le molecole sono indicati dal loro simbolo. Per esempio: acqua = H + H + O = H2O ossigeno = O + O = O2 anidride carbonica = C + O + O = CO2 metano = C + H + H + H + H = CH4 Ogni molecola può essere rappresentata con una formula che contiene i simboli degli atomi presenti e il loro numero (se è > 1) indicato in basso a destra del simbolo. Tale numero si chiama indice. L’ossigeno dell’esempio, poiché è un elemento, avrà nella formula della sua molecola solo un tipo di simbolo, quello dell’unico tipo di atomo di cui è formato. Nel caso dei composti, le formule presenteranno i simboli dei diversi atomi componenti. Per considerare più di una molecola di una certa sostanza, si usa scrivere davanti alla formula un numero che indica quante molecole vengono considerate. Tale numero è chiamato coefficiente. Per esempio 3H2O significa 3 molecole di acqua e quindi 6 (3 × 2) atomi di idrogeno e 3 (3 × 1) atomi di ossigeno. Come vedi il numero degli atomi si ottiene moltiplicando il coefficiente per l’indice, che, se non compare, è 1. Analizza Di quali e quanti atomi sono formate le molecole delle sostanze illustrate? HAI CAPITO CHE... Ogni molecola può essere rappresentata da una formula che contiene i simboli degli atomi presenti e il loro numero (se è > 1). Come si formano le molecole? Le molecole, come succede per le parole, non si formano a caso. Prendi per esempio un composto che sicuramente conosci, il sale da cucina ( 41 ), cioè il cloruro di sodio, in simboli NaCl, la cui molecola è formata da un atomo di sodio (Na) e un atomo di cloro (Cl). Se consulti la tavola periodica degli elementi, leggerai che il sodio ha numero atomico 11 e il cloro ha numero atomico 17 e inoltre che il sodio appartiene al primo gruppo e il cloro appartiene al settimo gruppo. Osserva la configurazione elettronica dei due atomi (42); per formare la molecola di cloruro di sodio (43), il sodio, che presenta nell’ultimo guscio un solo elettrone, lo cede al cloro, il quale ne possiede invece 7. In questo modo il sodio si viene a trovare in una situazione vantaggiosa avendo nell’ultimo guscio 8 elettroni, configurazione stabile del gas nobile che lo precede, il neon (Ne). Il cloro, a sua volta, completa il guscio più esterno con l’elettrone del sodio e assume la configurazione stabile del gas nobile che gli è più vicino, l’argo (Ar). Sai già che possedere 8 elettroni nell’ultimo guscio è una condizione di particolare stabilità, perciò, come avviene per il cloruro di sodio, gli atomi tendono a raggiungere la configurazione dei gas nobili acquistando o cedendo elettroni ad altri atomi per formare le molecole. Gli elettroni hanno quindi la capacità di “viaggiare” da un atomo all’altro, possono essere ceduti o acquistati dagli atomi quando questi formano una molecola. La molecola così ottenuta è più stabile dei due atomi separati, poiché si stabilisce tra questi una forza attrattiva che si chiama legame chimico . Il legame chimico che si forma tra il sodio e il cloro si chiama legame ionico, si forma tra elementi distanti tra loro nella tavola periodica, uno dei quali cede elettroni mentre l’altro li acquista. Entrambi gli atomi non risultano più elettricamente neutri: l’atomo che cede elettroni si trova ad avere un numero di protoni maggiore rispetto al numero di elettroni e quindi ad avere carica positiva; l’atomo che acquista elettroni avrà un numero di elettroni maggiore rispetto al numero dei protoni e quindi avrà carica negativa. Tali atomi sono detti rispettivamente ioni positivi e ioni negativi. Talvolta nella formazione di molecole di elementi o di composti costituiti da elementi vicini nella tavola periodica, gli elettroni non vengono ceduti o acquistati, come nell’esempio del cloruro di sodio, ma messi in compartecipazione tra i due atomi. È il caso della formazione della molecola dell’idrogeno (H2), o di quella dell’acqua (H2O), o di quella dell’anidride carbonica (CO2) (44). Il legame chimico che si forma in questi casi è detto legame covalente. Anche nel legame covalente gli atomi degli elementi tendono a raggiungere la configurazione a 8 elettroni nell’ultimo guscio. Analizza Quanti elettroni presenta il sodio nell’ultimo guscio? E il cloro? Che cosa accade all’elettrone dell’ultimo guscio del sodio? Quanti elettroni presenta il sodio nell’ultimo guscio dopo che si è formata la molecola NaCl? E il cloro? Legame chimico È la forza che mantiene uniti gli atomi che formano un composto. Chemical bond It is the attraction between atoms that constitute chemical compounds. HAI CAPITO CHE... Gli atomi per raggiungere la configurazione stabile dei gas nobili acquistano o cedono elettroni e formano molecole. Nella molecola gli atomi sono tenuti insieme da un legame chimico. I legami chimici tra gli atomi delle molecole possono essere ionici (vengono ceduti o acquistati elettroni) o covalenti (vengono messi in comune elettroni). Che cos’è la valenza? Nella formazione di un legame chimico, ogni atomo ha una certa “disponibilità” a cedere, acquistare o condividere elettroni che è detta valenza. Essa dipende dagli elettroni presenti nell’ultimo guscio: per esempio, il litio (Li) ha valenza 1 perché tende a cedere l’unico elettrone presente nel suo guscio più esterno e a ottenere la configurazione elettronica stabile dell’elio, gas nobile a lui più vicino che ha valenza 0 (45). Anche il fluoro (Fl) ha valenza 1 perché tende ad acquistare un elettrone per raggiungere la configurazione stabile del neon. Questi atomi sono detti monovalenti. Il berillio (Be) e l’ossigeno (O) hanno valenza 2 (bivalenti) perché tendono rispettivamente a cedere o acquistare 2 elettroni (46). Non sempre un elemento cede o acquista lo stesso numero di elettroni, perciò non sempre presenta la stessa valenza; l’azoto per esempio può avere valenza 2, 3, 4 o 5. Una formula a puntini I chimici rappresentano la struttura di un atomo con una formula particolare in cui accanto al simbolo dell’elemento vengono messi dei puntini. Il numero dei puntini indica il numero di elettroni presenti nell’ultimo orbitale. idrogeno: (1 solo elettrone: gruppo I) litio: (1 solo elettrone: gruppo I) berillio: (gruppo II) boro: (gruppo III) carbonio: (gruppo IV) azoto: (gruppo V) ossigeno: (gruppo VI) fluoro: (gruppo VII) Analizza Perché il litio e il fluoro hanno valenza 1? Perché il berillio e l’ossigeno hanno valenza 2? per saperne di più Orbitali ed energia Il modello di atomo ideato da Bohr può essere paragonato a una libreria a scaffali: ogni orbitale (guscio) è caratterizzato da un livello di energia diverso, così come ogni scaffale della libreria possiede un’altezza diversa dal pavimento. Un elettrone che sta in un orbitale lontano dal nucleo dell’atomo, possiede un livello di energia più alto di un elettrone di un orbitale vicino al nucleo, proprio come un libro, posto su uno scaffale lontano dal pavimento avrà un’altezza maggiore rispetto a un libro posto in basso. Secondo gli studi della fisica moderna, la distribuzione degli elettroni è più complessa di quella a strati concentrici proposta da Bohr e la forma degli orbitali è piuttosto varia. Nei diversi atomi gli elettroni occupano gli orbitali a partire da quello più vicino al nucleo, con minore livello di energia; i livelli energetici sono al massimo 7. per saperne di più Elementi in latino Nei primi anni del XIX secolo, un chimico svedese, Jöns Berzelius, propose di indicare gli elementi chimici con l’iniziale del nome latino, lingua nota a tutti gli studiosi del mondo. Molti elementi prendono però il loro nome da termini della lingua greca, francese, tedesca... Dal significato di tali nomi si possono imparare molte cose sugli elementi. Utilizzando un dizionario o internet puoi ricercare “l’etimologia” dei nomi proposti nella tabella… farai delle interessanti scoperte. ELEMENTOSIMBOLODERIVA DA...IDROGENOHHYDROGENIUMELIOHeHELIUMAZOTONNITROGENUMFOSFOROPPHOSPHORUSMERCURIOHgHYDRARGYRUMANTIMONIOSbSTIBIUMOROAuAURUMRAMECuCUPRUMZOLFOSSULPHURSODIONaNATRIUMPOTASSIOKKALIUM
6 Le molecole Gli atomi, come le lettere dell’alfabeto, possono legarsi tra loro a formare delle “parole” che vengono dette molecole e che costituiscono il più piccolo aggregato di atomi che caratterizza una sostanza. Come si rappresentano le molecole? Spesso per rappresentare gli atomi dei diversi elementi si usano come semplici modelli delle palline di colore e grandezze differenti. NOME IDROGENO OSSIGENO CARBONIO SIMBOLO H O C MODELLO Nelle fotografie che seguono le palline di diverso colore sono state combinate tra loro per costruire le molecole di alcune sostanze: l’acqua, l’ossigeno, l’anidride carbonica e il metano. Quando si vuole rappresentare una molecola, però, è scomodo ricorrere tutte le volte al modello con le palline; perciò in chimica si utilizzano le formule, nelle quali gli atomi che costituiscono le molecole sono indicati dal loro simbolo. Per esempio: acqua = H + H + O = H2O ossigeno = O + O = O2 anidride carbonica = C + O + O = CO2 metano = C + H + H + H + H = CH4 Ogni molecola può essere rappresentata con una formula che contiene i simboli degli atomi presenti e il loro numero (se è > 1) indicato in basso a destra del simbolo. Tale numero si chiama indice. L’ossigeno dell’esempio, poiché è un elemento, avrà nella formula della sua molecola solo un tipo di simbolo, quello dell’unico tipo di atomo di cui è formato. Nel caso dei composti, le formule presenteranno i simboli dei diversi atomi componenti. Per considerare più di una molecola di una certa sostanza, si usa scrivere davanti alla formula un numero che indica quante molecole vengono considerate. Tale numero è chiamato coefficiente. Per esempio 3H2O significa 3 molecole di acqua e quindi 6 (3 × 2) atomi di idrogeno e 3 (3 × 1) atomi di ossigeno. Come vedi il numero degli atomi si ottiene moltiplicando il coefficiente per l’indice, che, se non compare, è 1. Analizza Di quali e quanti atomi sono formate le molecole delle sostanze illustrate? HAI CAPITO CHE... Ogni molecola può essere rappresentata da una formula che contiene i simboli degli atomi presenti e il loro numero (se è > 1). Come si formano le molecole? Le molecole, come succede per le parole, non si formano a caso. Prendi per esempio un composto che sicuramente conosci, il sale da cucina ( 41 ), cioè il cloruro di sodio, in simboli NaCl, la cui molecola è formata da un atomo di sodio (Na) e un atomo di cloro (Cl). Se consulti la tavola periodica degli elementi, leggerai che il sodio ha numero atomico 11 e il cloro ha numero atomico 17 e inoltre che il sodio appartiene al primo gruppo e il cloro appartiene al settimo gruppo. Osserva la configurazione elettronica dei due atomi (42); per formare la molecola di cloruro di sodio (43), il sodio, che presenta nell’ultimo guscio un solo elettrone, lo cede al cloro, il quale ne possiede invece 7. In questo modo il sodio si viene a trovare in una situazione vantaggiosa avendo nell’ultimo guscio 8 elettroni, configurazione stabile del gas nobile che lo precede, il neon (Ne). Il cloro, a sua volta, completa il guscio più esterno con l’elettrone del sodio e assume la configurazione stabile del gas nobile che gli è più vicino, l’argo (Ar). Sai già che possedere 8 elettroni nell’ultimo guscio è una condizione di particolare stabilità, perciò, come avviene per il cloruro di sodio, gli atomi tendono a raggiungere la configurazione dei gas nobili acquistando o cedendo elettroni ad altri atomi per formare le molecole. Gli elettroni hanno quindi la capacità di “viaggiare” da un atomo all’altro, possono essere ceduti o acquistati dagli atomi quando questi formano una molecola. La molecola così ottenuta è più stabile dei due atomi separati, poiché si stabilisce tra questi una forza attrattiva che si chiama legame chimico . Il legame chimico che si forma tra il sodio e il cloro si chiama legame ionico, si forma tra elementi distanti tra loro nella tavola periodica, uno dei quali cede elettroni mentre l’altro li acquista. Entrambi gli atomi non risultano più elettricamente neutri: l’atomo che cede elettroni si trova ad avere un numero di protoni maggiore rispetto al numero di elettroni e quindi ad avere carica positiva; l’atomo che acquista elettroni avrà un numero di elettroni maggiore rispetto al numero dei protoni e quindi avrà carica negativa. Tali atomi sono detti rispettivamente ioni positivi e ioni negativi. Talvolta nella formazione di molecole di elementi o di composti costituiti da elementi vicini nella tavola periodica, gli elettroni non vengono ceduti o acquistati, come nell’esempio del cloruro di sodio, ma messi in compartecipazione tra i due atomi. È il caso della formazione della molecola dell’idrogeno (H2), o di quella dell’acqua (H2O), o di quella dell’anidride carbonica (CO2) (44). Il legame chimico che si forma in questi casi è detto legame covalente. Anche nel legame covalente gli atomi degli elementi tendono a raggiungere la configurazione a 8 elettroni nell’ultimo guscio. Analizza Quanti elettroni presenta il sodio nell’ultimo guscio? E il cloro? Che cosa accade all’elettrone dell’ultimo guscio del sodio? Quanti elettroni presenta il sodio nell’ultimo guscio dopo che si è formata la molecola NaCl? E il cloro? Legame chimico È la forza che mantiene uniti gli atomi che formano un composto. Chemical bond It is the attraction between atoms that constitute chemical compounds. HAI CAPITO CHE... Gli atomi per raggiungere la configurazione stabile dei gas nobili acquistano o cedono elettroni e formano molecole. Nella molecola gli atomi sono tenuti insieme da un legame chimico. I legami chimici tra gli atomi delle molecole possono essere ionici (vengono ceduti o acquistati elettroni) o covalenti (vengono messi in comune elettroni). Che cos’è la valenza? Nella formazione di un legame chimico, ogni atomo ha una certa “disponibilità” a cedere, acquistare o condividere elettroni che è detta valenza. Essa dipende dagli elettroni presenti nell’ultimo guscio: per esempio, il litio (Li) ha valenza 1 perché tende a cedere l’unico elettrone presente nel suo guscio più esterno e a ottenere la configurazione elettronica stabile dell’elio, gas nobile a lui più vicino che ha valenza 0 (45). Anche il fluoro (Fl) ha valenza 1 perché tende ad acquistare un elettrone per raggiungere la configurazione stabile del neon. Questi atomi sono detti monovalenti. Il berillio (Be) e l’ossigeno (O) hanno valenza 2 (bivalenti) perché tendono rispettivamente a cedere o acquistare 2 elettroni (46). Non sempre un elemento cede o acquista lo stesso numero di elettroni, perciò non sempre presenta la stessa valenza; l’azoto per esempio può avere valenza 2, 3, 4 o 5. Una formula a puntini I chimici rappresentano la struttura di un atomo con una formula particolare in cui accanto al simbolo dell’elemento vengono messi dei puntini. Il numero dei puntini indica il numero di elettroni presenti nell’ultimo orbitale. idrogeno: (1 solo elettrone: gruppo I) litio: (1 solo elettrone: gruppo I) berillio: (gruppo II) boro: (gruppo III) carbonio: (gruppo IV) azoto: (gruppo V) ossigeno: (gruppo VI) fluoro: (gruppo VII) Analizza Perché il litio e il fluoro hanno valenza 1? Perché il berillio e l’ossigeno hanno valenza 2? per saperne di più Orbitali ed energia Il modello di atomo ideato da Bohr può essere paragonato a una libreria a scaffali: ogni orbitale (guscio) è caratterizzato da un livello di energia diverso, così come ogni scaffale della libreria possiede un’altezza diversa dal pavimento. Un elettrone che sta in un orbitale lontano dal nucleo dell’atomo, possiede un livello di energia più alto di un elettrone di un orbitale vicino al nucleo, proprio come un libro, posto su uno scaffale lontano dal pavimento avrà un’altezza maggiore rispetto a un libro posto in basso. Secondo gli studi della fisica moderna, la distribuzione degli elettroni è più complessa di quella a strati concentrici proposta da Bohr e la forma degli orbitali è piuttosto varia. Nei diversi atomi gli elettroni occupano gli orbitali a partire da quello più vicino al nucleo, con minore livello di energia; i livelli energetici sono al massimo 7. per saperne di più Elementi in latino Nei primi anni del XIX secolo, un chimico svedese, Jöns Berzelius, propose di indicare gli elementi chimici con l’iniziale del nome latino, lingua nota a tutti gli studiosi del mondo. Molti elementi prendono però il loro nome da termini della lingua greca, francese, tedesca... Dal significato di tali nomi si possono imparare molte cose sugli elementi. Utilizzando un dizionario o internet puoi ricercare “l’etimologia” dei nomi proposti nella tabella… farai delle interessanti scoperte. ELEMENTOSIMBOLODERIVA DA...IDROGENOHHYDROGENIUMELIOHeHELIUMAZOTONNITROGENUMFOSFOROPPHOSPHORUSMERCURIOHgHYDRARGYRUMANTIMONIOSbSTIBIUMOROAuAURUMRAMECuCUPRUMZOLFOSSULPHURSODIONaNATRIUMPOTASSIOKKALIUM