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Valeria Costantino » 16.Forze intermolecolari e stati della materia


Stati della materia

La materia può esistere in tre stati fisici (stati di aggregazione):
stato solido, stato liquido o stato gassoso.

I liquidi ed i solidi sono dette fasi condensate perché le loro particelle sono estremamente vicine le une alle altre.


Fasi condensate e forze intermolecolari I

Secondo la teoria cinetica molecolare, allo stato gassoso le molecole sono molto distanti tra loro, tanto da poter essere considerate puntiformi.
Perché si formano le fasi condensate?
Perché esistono forze intermolecolari, cioè forze di attrazione di tipo elettrostatico più deboli (circa il 15%) di quelle tra ioni di carica opposta, che fanno sì che le molecole si attraggano tra loro.


Fasi condensate e forze intermolecolari II

Le forze intermolecolari sono di vario tipo, e variano molto nella loro intensità, per cui alcuni composti condensano solo a bassissime temperature, mentre altri sono solidi fino a temperature elevatissime.

Le forze intermolecolari influiscono sul:

  • punto di ebollizione, punto di liquefazione;
  • sulla solubilità di gas, liquidi e solidi in vari solventi.

Determinano la struttura di molecole biologiche estremamente importanti, come il DNA.

Passaggio di stato I

Il passaggio da una fase ad un’altra è determinata dal bilancio tra energia potenziale della molecola (cioè l’energia dei legami intermolecolari) ed energia cinetica (cioè legata al movimento delle molecole) delle molecole che tende a disperderle.

  • All’aumentare della temperatura, aumenta l’energia cinetica media e quindi le particelle che si muovono a velocità maggiore possono vincere più facilmente le attrazioni.
  • Una diminuzione di temperatura, invece, permette alle forze intermolecolari di riavvicinare l’una all’altra le molecole che si muovo a velocità più bassa.

Passaggio di stato II

Il processo attraverso il quale una sostanza passa da uno stato
di aggregazione ad un altro è comunemente indicato come
passaggio di stato (o anche cambiamento di stato o di fase).


Forze intermolecolari

Le forze intermolecolari, che determinano lo stato fisico di un composto, sono di vario tipo:

  • forza ione-dipolo;
  • forza dipolo-dipolo;
  • forza ione-dipolo indotto;
  • forza dipolo-dipolo indotto;
  • legame idrogeno;
  • forze di dispersione (forze di London).

Riepilogo forze intramolecolari ed intermolecolari

Confronto delle forze di legame e delle forze di non legame (intermolecolari)

Confronto delle forze di legame e delle forze di non legame (intermolecolari)


Forze intermolecolari in molecole non polari I

Anche le sostanze apolari come l’idrogeno o il neon al diminuire della temperatura diventano liquide e poi solide.

Esistono quindi interazioni intermolecolari anche tra molecole non polari. Queste interazioni sono dette forze di London (o forze di dispersione), ed esistono per tutte le molecole, ma per molecole apolari sono le uniche interazioni possibili.
Vediamo come funzionano.

Forze intermolecolari in molecole non polari II

In una molecola apolare, il momento dipolare è 0 perché il centro delle cariche positive e quello delle cariche negative sono coincidenti. Questo è vero in media nel tempo: gli elettroni si muovono, e quindi anche il centro delle cariche negative si muove, per cui in ogni istante anche molecole apolari hanno un certo momento dipolare (non sono molecole polari, perché la media nel tempo del momento dipolare rimane 0).
Si parla quindi di dipoli istantanei.


Forze di London I

Se due molecole sono vicine, i dipoli istantanei di ogni molecola non sono indipendenti. Infatti il dipolo istantaneo di una molecola induce un dipolo nell’altra molecola.
Il dipolo è indotto in modo da abbassare l’energia del sistema, cioè le cariche positive tenderanno ad essere vicine a quelle negative e viceversa: allora l’interazione tra le due molecole sarà attrattiva.


Forze di London II

Naturalmente, come i dipoli istantanei, anche i dipoli indotti varieranno continuamente di direzione, ma l’interazione sarà comunque sempre attrattiva.
Queste interazioni sono deboli, poiché i dipoli istantanei sono comunque di piccola intensità, e diminuiscono molto rapidamente con la distanza: le forze di London sono proporzionali all’inverso della sesta potenza della distanza.


Forze intermolecolari: legame idrogeno

L’acqua è una molecola piuttosto piccola, ma bolle ed evapora a temperature piuttosto alte. È vero che l’acqua è dotata di un forte momento dipolare, ma questo non basta per giustificare questo dato.


Forze intermolecolari: legame idrogeno I

Punti di fusione e di ebollizione anormalmente alti si osservano anche per altri composti binari tra idrogeno ed elementi del secondo periodo:


Forze intermolecolari: legame idrogeno II

Questo succede perché esiste un particolare tipo di forza intermolecolare, detto legame idrogeno, che è caratteristico di alcuni elementi del secondo periodo, cioè F, O ed N.


Legame idrogeno I

Per avere un legame idrogeno sono necessari:

una molecole che contenga un legame N–H, O–H o F–H
una molecola che contenga un atomo di N, O o F con almeno una coppia solitaria di elettroni.
Il legame a idrogeno è spesso rappresentato con una linea tratteggiata.


Legame idrogeno II

A causa della forte elettronegatività dell’ossigeno (oppure N, oppure F) il legame covalente è molto polare, e l’idrogeno si trova quasi privo di elettroni, e con una parziale carica positiva. L’idrogeno può allora avvicinarsi molto alla coppia solitaria di un altro ossigeno (oppure N, oppure F), dando luogo ad una forte interazione attrattiva.

Il legame idrogeno è qualcosa in più di una interazione dipolo-dipolo molto forte, poiché l’intensità della interazione dipende anche da come sono disposti nello spazio i tre atomi: l’interazione più forte si ha quando sono allineati.

Legame idrogeno III

Il fluoruro di idrogeno (acido fluoridrico) gassoso è composto da gruppi di 2 o 3 molecole legate da legami idrogeno
L’acido acetico (CH3COOH) gassoso è composto da dimeri, tenuti insieme da due legami idrogeno.


L’acqua come solvente

  • Il grande potere solvente dell’acqua è dovuto alla sua polarità ed alla sua capacità di formare legami idrogeno.
  • L’acqua scioglie i composti ionici mediante forze ione-dipolo che separano gli ioni del solido e le mantengono in soluzione
  • L’acqua scioglie molte sostanze non ioniche polari, come il metanolo o il glucosio, per la formazione di legami idrogeno

Test di verifica

a. Stabilire quali sono le forze intermolecolari più importanti in ognuno dei seguenti casi:

  • bromo liquido;
  • una miscela di acqua ed acido cloridrico;
  • una soluzione di bromo in acqua;
  • cloruro di sodio in acqua.

b. Quali delle seguenti sostanze presentano legame a idrogeno. Disegnare i legami idrogeno tra due molecole di sostanza quando è appropriato.

  • metanolo;
  • acido fluoridrico;
  • ammoniaca.

Obiettivi lezione 16

  • Descrivere il concetto di forza intermolecolare e la loro importanza in relazione agli stati della materia.
  • Enunciare i vari tipi di forze intermolecolari ed evidenziare le relative differenze.
  • Il legame idrogeno: come si forma. Forza relativa. Composti che formano il legame idrogeno.
  • Si consiglia di rivedere i concetti di fase solida, liquida e gassosa collegandosi ai link proposti nella slide n. 1 o su un qualsiasi testo a livello universitario.
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