TITOLO: Polarità delle molecole

SCOPO DELL'ESPERIENZA:1)osservare come si comportano molecole di sostanze polari e apolari e sostanze con legami ionici se poste vicino a una bacchetta caricata elettricamente; 2)osservare come si comportano molecole di sostanze polari e apolari e sostanze con legami ionici se mescolate tra di loro; 3)trarre delle conclusioni per quanto concerne i legami intermolecolari. 

STRUMENTI: 2 bacchette di vetro;

1 imbuto;

2 becher grandi;

1 bacchetta di ebanite;

1 straccio di lana;

3 vetrini da orologio;

1 provetta con rispettivo tappo;

1 spatola;

6 becher piccoli;

2 burette con sostegno.

DESCRIZIONE DEGLI STRUMENTI:

Burette con sostegno: tubi cilindrici tarati e graduati per misurare quantità di liquidi. Sono composte da un sostegno metallico con due bracci che sostengono i due cilindri di vetro nei quali con un imbuto si versa il liquido da utilizzare. La parte finale di ogni cilindro è dotata di un rubinetto che, se ruotato, fa uscire il liquido nella quantità desiderata. Sotto la bocchetta dei due cilindri si posizionano dei becher in modo da raccogliere il liquido.

INTRODUZIONE: Tra gli atomi di una molecola si formano dei legami chimici, cioè forze di attrazione elettrica che tengono uniti tra di loro gli atomi stessi. Il modo di formare questi legami dipende dagli elettroni di valenza (elettroni più esterni di un di un atomo). Un ulteriore strumento per definire il tipo di legame esistente tra due atomi è quello dell'elettronegatività: se la differenza di elettronegatività tra i due atomi è maggiore di 1,7 il legame sarà ionico, se minore il legame sarà covalente. I legami chimici che si formano tra gli atomi non sono tutti uguali:

Ø  Legame ionico: prendiamo in considerazione un atomo di Calcio ( " elettroni di valenza) e un atomo di Bromo (7 elettroni di valenza). L'atomo di bromo necessita di un solo elettrone per raggiungere l'ottetto; l'atomo di calcio, invece tende a cedere i suoi due elettroni perché dovrebbe spendere troppa energia per acquistarne sei e raggiungere l'ottetto. A questo punto trovandosi vicini un atomo di bromo e uno di calcio il primo elemento acquisterà un elettrone di valenza del secondo. Dopo questo primo passaggio avremo il bromo che si è trasformato in un anione (ione negativo, Br^-) e il calcio è diventato un catione (ione positivo, Ca⁺). Al calcio, però, rimane ancora un elettrone che cederà quindi ad un altro atomo di bromo diventando uno ione doppiamente positivo (Ca²⁺).La formula del composto che si forma è quindi CaBr₂. Gli ioni ottenuti, avendo carica opposta si attraggono formando il legame ionico. Questo tipo di composto si presenta a modo di ragnatela e forma un reticolo cristallino. I composti ionici sono solidi a temperatura ambiente, dotati di elevata durezza e allo stesso tempo fragilità (questo perché se tento di plasmarli una carica positiva si troverebbe vicino ad un'altra carica positiva facendo prevalere le forze di repulsione che portano alla rottura del reticolo), sono buoni conduttori di corrente alo stato liquido.

Ø  Legame covalente: se prendiamo in considerazione atomi dello stesso elemento, ad esempio di cloro (7 elettroni di valenza), dobbiamo pensare che non sia possibile un legame ionico perché nessuno dei due atomi può attrarre di più gli elettroni dell'altro, avendo gli stessi elettroni di valenza, e neppure che uno dei due li ceda all'altro. Quindi l'unica soluzione è che i due atomi mettano in comune un loro elettrone che si troverà alternativamente prima in un atomo e poi nell'altro. Ciò che si forma sarà una molecola molto più stabile di due atomi separati. In questo legame non si parla di cariche intere ma parziali rappresentate dal simbolo d

Ø  Legame covalente polarizzato: se prendiamo in considerazione un atomo di idrogeno (1 elettrone di valenza) e uno di cloro (7 elettroni di valenza) dobbiamo notare che il legame che si formerà è di tipo covalente visto che la differenza di elettronegatività è minore di 1,7 (2,1-3,0= 0,9). L'atomo di cloro, però, è più elettronegativo dell'atomo di idrogeno e quindi l'elettrone messo in comune è più attratto dal nucleo dell'atomo di cloro proprio perché più elettronegativo. La carica negativa, quindi, è distribuita in maniera asimmetrica rispetto ai due nuclei degli elementi e si formano due polarità elettriche di segno contrario. Gli elettroni di legame sono più "spostati" verso l'atomo più elettronegativo che acquisterà una parziale carica negativa (d-) mentre l'atomo meno elettronegativo acquisterà una carica parzialmente positiva (d+). Un legame covalente è tanto più polarizzato quanto maggiore è la differenza di elettronegatività. Se il numero degli elettroni condivisi è di due i legami covalenti si dicono doppio legame. I legami covalenti tra atomi con la stessa elettronegatività si dicono legami covalenti puri e gli elettroni condivisi si troveranno indistintamente in uno o nell'altro atomo. Le molecole polari si dicono dipoli.

MATERIALI:

FORMULE DI STRUTTURA:

Acqua

Xilene 

Saccarosio

Naftalene

PROCEDIMENTO:

Es. 1-2

Riempire una buretta con acqua distillata e una con xilene;

Strofinare energicamente con lo straccio di lana la bacchetta di ebanite per elettrizzarla;

Aprire il rubinetto di una buretta alla volta / preparare su tre vetrini da orologio saccarosio, cloruro di sodio e naftalene;

Avvicinare immediatamente la bacchetta al filo di liquido che esce senza toccarlo / avvicinare la bacchetta a un materiale per volta

Osservare cosa succede.

Es. 3

A. Introdurre in un'unica provetta quantità circa uguali di acqua e xilene;

B. Tappare ed agitare bene;

C. Osservare cosa succede.

Es. 4

a)  Versare in tre becher mezzo dito d'acqua e negli altri tre mezzo dito di xilene;

b)  Aggiungere una piccola quantità di ogni sostanza in un becher con acqua e in uno con lo xilene;

c)  Mescolare bene con una bacchetta di vetro;

d)  Osservare cosa succede.

DATI RACCOLTI:

Es. 1-2

*attratto - non attratto dalla bacchetta di ebanite.

Es.4

++ sciolto completamente

+ sciolto in parte

non sciolto

Es. 3

L'acqua mescolata con lo xilene non forma una soluzione ma un'emulsione temporanea. Lo xilene si divide in tante piccole gocce che dopo aver finito di agitare la provetta si riunificano e tornano a galla. Lo xilene, infatti, nella provetta si trova sopra mentre l'acqua sotto.

INTRODUZIONE:

Le molecole si attraggono reciprocamente con delle forze intermolecolari .Le forze di attrazione tra molecole dipolari si generano tra il polo positivo di una molecola e quello negativo di un'altra. Questi legami si chiamano forze di attrazione dipolo-dipolo.

Anche tra le molecole apolari si instaurano delle forze intermolecolari. Infatti il continuo movimento degli elettroni all'interno delle molecole porta ad una distribuzione non simmetrica delle cariche elettriche positive e negative con formazione di dipoli istantanei (o indotti). Tra queste molecole momentaneamente dipolari si formano delle deboli forze di attrazione: forze di van der Waals (o forze di dispersione di London).

ANALISI ED INTERPRETAZIONE DEI DATI RACCOLTI:

Es. 1-2

Se noi carichiamo una bacchetta e poi la avviciniamo a una sostanza polare o a un composto ionico questi vengono attratti. Infatti si possono riscontrare due fasi: 1) le cariche si orientano in modo che più vicino alla bacchetta si trovino quelle di carica opposta rispetto alla carica della bacchetta; 2) le molecole vengono attratte. L'attrazione, inoltre, è data dal fatto che la forza di attrazione tra la bacchetta e la sostanza polare è maggiore di quella di repulsione poiché la carica uguale a quella della bacchetta si trova a una distanza maggiore dalla bacchetta stessa. Questo succede, ad esempio, quando avviciniamo la bacchetta all'acqua (l'acqua comincia a "deviare" la sua traiettoria non proprio in corrispondenza della bacchetta perché l'acqua scorre e l'istante successivo all'attrazione le molecole precedentemente attratte saranno in una nuova posizione), al cloruro di sodio e al saccarosio.

Le molecole apolari non vengono attratte. Secondo quanto detto nell'introduzione, però, lo dovrebbero essere almeno un po' poiché si formano dei dipoli istantanei che quindi dovrebbero essere attratti. Nel nostro esperimento questo fatto non si è verificato forse perché la carica della bacchetta era troppo debole. Questo si è verificato nel caso dello xilene e del naftalene.

Es.3-4

1)Soluzioni tra sostanze polari: le molecole polari di due composti ionici rompono i loro legami dipolo-dipolo per riformarne degli altri sempre dipolo-dipolo con delle molecole diverse. La soluzione tra due sostanze polari è quindi possibile in quanto non vi è perdita di energia. Questo è il caso dell'acqua mescolata con il saccarosio.

2)Soluzioni tra composti ionici e sostanze polari: le molecole polari rompendo i propri legami dipolo-dipolo si trovano a doverne formare con composti ionici i cui legami sono molti forti. Le molecole di acqua si orientano  e vengono attratte dagli ioni di segno contrario. Gli ioni si trovano quindi circondati da molti dipoli che formano una forza in grado di rompere i legami ionici. I legami che si formano tra gli ioni e la molecole dipolari sono detti legami ione-dipolo. Questo è il caso dell'acqua mescolata con il cloruro di sodio.

3)Miscugli tra sostanze polari e apolari: le molecole apolari rompendo i propri legami dipolo-dipolo ne dovrebbero formare con molecole legate tra loro da forze di van der Waals. Questa situazione è sconveniente perché il rimo tipo di legame è più forte del secondo. Quindi le molecole polari continueranno ad attrarsi solo tra di loro come anche le molecole apolari. Si parla in questo caso di miscuglio eterogeneo. Nei becher questi miscugli si notano in quanto una delle due sostanze sta sopra e l'altra sta sotto a seconda della loro densità. Questo è il caso dell'acqua mescolata allo xilene o al naftalene e del saccarosio mescolato allo xilene.(Ecco perché a fine esperimento non siamo riusciti a lavare a fondo i becher sporchi di xilene con un semplice getto d'acqua. Per avere una pulizia totale bisogna usare del detersivo che contenga delle sostanze apolari per poter lavare via lo xilene rimasto nelle pareti del becher.)

4)Miscuglio tra composti ionici e sostanze apolari: i legami ionici sono molto forti e non è conveniente per un composto ionico romperli per andare a formare legami con molecole unite de forze di van der Waals che sono molto più deboli. Anche in questo caso si può parlare di miscugli eterogenei. Questo è il caso del cloruro di sodio mescolato con lo xilene.

5)Soluzioni tra sostanze apolari: le molecole apolari rompono le loro forze di van der Waals per costituirne di uguali e nuove con  quelle di un'altra sostanza. Questa situazione si è verificata mescolando lo xilene con il naftalene.

CONCLUSIONI

Elettrizzando una semplice bacchetta, anche di plastica, siamo in grado di capire di fronte a che tipo di elemento ci troviamo: se una sostanza polare, una apolare o se un composto ionico. Da ciò saremo anche in grado di prevedere che tipo di legami forma e, cosa più importante, con che altri elementi.