Struttura: come sono disposti gli atomi
Gli atomi si legano condividendo o spostando elettroni. In una molecola ogni atomo tiene le coppie di elettroni (legami e coppie solitarie) il più lontano possibile le une dalle altre, perché le coppie di elettroni si respingono. Questa idea semplice (chiamata VSEPR) dà la forma della molecola.
Forme comuni
- Lineare: CO2 (180 gradi).
- Piegata: H2O (circa 104,5 gradi), perché due coppie solitarie avvicinano i legami.
- Piramidale: NH3 (circa 107 gradi), una coppia solitaria.
- Tetraedrica: CH4 (109,5 gradi), quattro legami e nessuna coppia solitaria.
Le strutture più grandi seguono le stesse idee: il diamante è un'unica rete gigante di atomi di carbonio, un cristallo di sale è una griglia ripetuta di ioni.
Proprietà: cosa decidono forma e carica
Alcuni atomi attirano gli elettroni condivisi con più forza; questa capacità si chiama elettronegatività. Se le attrazioni dentro una molecola non si annullano, un'estremità è leggermente negativa e l'altra leggermente positiva. La molecola è polare. Se le attrazioni si annullano, come nella CO2 lineare o nel CH4 tetraedrico, la molecola è apolare.
Cosa cambia
- Le molecole polari si attirano di più tra loro, quindi l'acqua bolle a 100 °C mentre il metano bolle a circa −162 °C.
- Il simile scioglie il simile: sale e zucchero si sciolgono in acqua, l'olio no.
- Le reti giganti (diamante, silice) sono durissime e fondono a temperature altissime; i metalli conducono perché gli elettroni si muovono liberamente.
Energia: energia di attivazione, calore e catalizzatori
Per far partire una reazione, i vecchi legami devono prima allentarsi. Serve una spinta minima chiamata energia di attivazione (Ea). Pensa a una palla che deve salire su una collina prima di poter rotolare giù.
Calore di reazione
Se i prodotti hanno meno energia dei reagenti, si libera calore (esotermica, ΔH negativo). Se ne hanno di più, si assorbe calore (endotermica, ΔH positivo). ΔH non dipende dall'altezza della collina.
Catalizzatori
Un catalizzatore offre alla reazione una strada più facile, con una collina più bassa. La reazione diventa più veloce, ma le energie di partenza e di arrivo, e quindi ΔH, non cambiano. Il catalizzatore non si consuma.
Equilibrio: quando una reazione sembra fermarsi
Molte reazioni sono reversibili: A ⇄ B. All'inizio va solo la reazione diretta. Man mano che B aumenta, la reazione inversa accelera. All'equilibrio le due velocità sono uguali, quindi le quantità di A e B restano costanti. Nulla si è fermato: entrambe le reazioni continuano (l'equilibrio è dinamico).
Costante di equilibrio
Per A ⇄ B, K = [B] / [A]. Un K grande significa soprattutto prodotti; un K piccolo significa soprattutto reagenti. K cambia solo con la temperatura.
L'idea di Le Chatelier
Se disturbi un sistema all'equilibrio (aggiungi altro A, cambi pressione o temperatura), il sistema si sposta per ridurre il disturbo. Un catalizzatore non sposta l'equilibrio: ti fa solo arrivare prima.
Prova tu: vedere la polarità con un pettine
Strofina un pettine di plastica sui capelli asciutti. Apri un rubinetto in modo che scenda un sottile filo d'acqua. Avvicina il pettine al filo: l'acqua si piega verso di esso, perché le molecole d'acqua sono polari. Ora prova con un sottile filo d'olio da cucina: quasi non si muove. Nel 3D scegli a turno acqua e anidride carbonica e confronta i valori.
Formule e definizioni chiave
- Angoli di legame: CO2 180, NH3 circa 107, H2O circa 104.5, CH4 109.5 (gradi)
- Esotermica: prodotti più in basso dei reagenti, dH < 0
- Endotermica: prodotti più in alto dei reagenti, dH > 0
- Per A <-> B: K = [B] / [A]
- All'equilibrio: velocità diretta = velocità inversa
Esempi svolti
1. Perché l'anidride carbonica è apolare anche se ogni legame C=O è polare?
La CO2 è dritta. Le due attrazioni dei legami sono uguali e opposte, quindi si annullano. La molecola non ha un'estremità positiva o negativa.
2. Una miscela di reazione all'equilibrio ha [A] = 0.2 mol/L e [B] = 0.6 mol/L per A <-> B. Trova K.
K = [B] / [A] = 0.6 / 0.2 = 3. I prodotti sono favoriti.
3. Un catalizzatore abbassa l'energia di attivazione da 80 kJ a 50 kJ. I reagenti hanno 20 kJ in più dei prodotti. Quanto vale dH e qual è la nuova barriera diretta?
dH = prodotti meno reagenti = -20 kJ (esotermica), e il catalizzatore non la cambia. La nuova barriera è 50 kJ.
Errori comuni
- Pensare che un catalizzatore cambi la quantità di prodotto all'equilibrio. Cambia solo la velocità con cui si raggiunge l'equilibrio.
- Dire che una reazione si ferma all'equilibrio. La reazione diretta e quella inversa continuano con la stessa velocità.
- Pensare che i legami polari rendano sempre polare la molecola. La forma può annullare le attrazioni (CO2).
- Confondere energia di attivazione e dH. Una è l'altezza della collina, l'altra è la differenza tra partenza e arrivo.