Polarità delle molecole

Materie:	Appunti
Categoria:	Chimica
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Data:	16.10.2000
Numero di pagine:	7
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Nome:
Data dell’esperienza: 8 maggio ’00.
Nome degli altri componenti del gruppo:
Titolo: 
– Scopo dell’esperienza:
==> capire qual è la differenza di comportamento tra molecole polari e
apolari;
==> introdurre allo studio dei legami intercellulari.
– Strumenti:
• 2 burette con sostegno;
• imbuto;
• 2 becker grandi;
• bacchetta di ebanite e straccio di lana;
• 3 vetrini da orologio
• provetta con tappo;
• spatola;
• 6 becker piccoli;
• 2 bacchette di vetro.
– Materiali:
• I materiali utilizzati (liquidi e solidi) e i loro dati sono riportati nella seguente tabella:
MATERIALI
ACQUA
SALE
XILENE
SACCAROSIO
NAFTALENE
Stato di aggregazione
liquido
solido
liquido
solido
solido
colore
incolore
bianco
olivastro
bianco
bianco
Aspetto
-
granelli
liquido denso
granelli
polvere (cristalli)
odore
inodore
inodore
forte e nauseante
inodore
piacevole
formula
H2O
NaCl
C6H4(CH3)2
C12H22O11
C10H8
Formula di struttura
Tipo di molecola
Distribuzione della carica elettrica
H-O: legame covalente polarizzato
Legame ionico
C-C: covalente puro(apolare);
C-H: leggermente polarizzato.
Piena di dipoli δ+ δ-
C-C: non polarizzato
C-H: lievemente polarizzato
C-O: polarizzato
H-O: polarizzato
C-C: apolari
C-H: lievemente polarizzato;
Forma della molecola
asimmetrica
simmetrica
simmetrica
asimmetrica
simmetrica
Molecola polare
Composto ionico
(non molecola)
Molecola apolare
Molecola polare
Molecola apolare
– Procedimento e raccolta dei dati:
o Esperienza 1 e 2: osserviamo come reagiscono queste sostanze se avviciniamo loro una bacchetta di ebanite elettrizzata, che ha, cioè, acquistato una carica, in questo caso negativa, per strofinamento con uno straccio di lana. Per quanto riguarda le sostanze solide ci serviamo di alcuni vetrini da orologio per contenerle, mentre per quelle liquide è necessario utilizzare due burette con sostegno che ci permettono di farli cadere a filo e poco alla volta, in modo tale da poter avvicinare al flusso la bacchetta e di osservare quanto accade. E’ importante avvicinare immediatamente la bacchetta appena elettrizzata a ciascuno dei materiali, perché la carica acquisita si perde velocemente, e non toccare con questa le sostanze. Quanto osservato è riportato nella seguente tabella:
MATERIALI
ATTRATTO
NON ATTRATTO
OSSERVAZIONI
acqua
•
– Il flusso d’acqua si piega in modo uniforme;
– Il flusso devia appena sotto la bacchetta.
xilene
•
/
Cloruro di sodio
•
– i granelli, prima di essere attratti, si girano.
Saccarosio
•
– i granelli, prima di essere attratti, si girano.
naftalene
•
/
o Esperienza 3-4: mescoliamo tra loro le sostanze. Prima (esperienza 3) abbiamo introdotto in un’unica provetta quantità circa uguali di acqua e xilene (xilene:9ml; acqua: 5ml) e, tappatala, l’abbiamo agitata per bene. Le due sostanze, mentre scuotiamo sembrano unirsi, mentre se lasciamo stabilizzare il sistema, notiamo che lo xilene e l’acqua si separano in circa 10s, tendendo il primo a disporsi sopra il secondo. Poi (esperienza 4) abbiamo mescolato tra loro sostanze solide e liquidi, formando tutti i miscugli possibili: abbiamo dunque visto se c’era solubilità tra liquidi e solidi. Quanto osservato è riportato nella seguente tabella:
MATERIALI
SOLVENTE
SOLUTO
ACQUA
XILENE
OSSERVAZIONI
Cloruro di sodio
++
-
– Acqua e NaCl si mescolano in pochi secondi perché ho usato appositamente poco soluto.
saccarosio
++
-
– Saccarosio e acqua si mescolano in pochi secondi perché ho usato appositamente poco soluto.
naftalene
-
++
– Mescolando naftalene e acqua il soluto, dopo un po’ di agitazione iniziale, si stabilizza e rimane a galla come corpo di fondo.
Tutti i dati riportati sono uguali a quelli raccolti dagli altri gruppi.
– Analisi e interpretazione dei dati: le domande fondamentali suggeritici dall’osservazio-
ne a cui dobbiamo cercare di rispondere sono:
1. Perché alcune sostanze sono attratte dalla bacchetta e altre no? (esperienza1-2)
2. Perché alcune sostanze si mescolano tra loro a formare miscugli omogenei e, invece, altre no? (esperienza 3-4)
Per quanto riguarda il primo quesito, i diversi risultati osservati dipendono dal tipo di molecola (polare o apolare) di ogni sostanza: infatti, un corpo elettricamente carico (negativamente, nel nostro caso) attrae molecole polari. Abbiamo visto come la polarità di una molecola dipenda dalla distribuzione della sua carica elettrica (e,quindi, dal tipo di legami tra i suoi atomi) e dalla sua forma: se ho soprattutto legami covalenti polarizzati e una forma asimmetrica, la molecola sarà sicuramente polare dunque caratterizzata da due estremità di segno opposto, una δ+ e l’altra δ-.
Possiamo ora, dunque, ricostruire cosa accade quando avvicino la bacchetta elettrizzata a una sostanza le cui molecole sono polari: quest’ultime si orientano in modo che l’estremità δ+ di ogni molecola sia rivolta verso la bacchetta: si instaura così una forza attrattiva fra cariche opposte che, vista la minor distanza che intercorre tra la bacchetta e i poli δ+, riesce a vincere anche la naturale forza di repulsione tra cariche di segno uguale come sono le estremità δ- della molecola e le cariche negative della bacchetta: ecco perché il flusso dell’acqua varia in modo uniforme e costante, senza cambiamenti di direzione, sempre attratto. Dunque l’acqua e il saccarosio sono attratti dalla bacchetta perché sono costituiti da molecole polari. Nel caso, invece, che le molecole della sostanza siano apolari, la bacchetta non trova alcuna carica da attrarre o da respingere, perché in ogni punto di una molecola apolare c’è neutralità: dunque non si avverte alcuna attrazione né nello xilene né nella naftalina, almeno per quanto noi abbiamo potuto osservare. Resta da spiegare il fatto che il cloruro di sodio, che non è composto da molecole né polari né apolari, ma è un composto ionico, formato da un reticolo cristallino che lega ioni di carica positiva e negativa, venga ugualmente attratto dalla bacchetta. Questo succede perché gli ioni positivi del composto, orientandosi inizialmente verso la bacchetta, ne sono attratti, vincendo la forza di repulsione bacchetta-ioni negativi: ecco spiegato anche il fatto che i granelli di sale si giravano prima di essere attratti dalla bacchetta, come abbiamo osservato (questo vale anche per il saccarosio).
Infine, possiamo giustificare il fatto che il flusso d’acqua devi appena sotto la bacchetta chiamando in gioco la forza di gravità, che ritarda un po’ l’effetto della forza di attrazione.
Per il secondo quesito possiamo dire che, ogni qualvolta io mescolo due sostanze per creare un miscuglio, i loro legami devono rompersi e devono formarsene di nuovi tra le due sostanze. Se i legami che si rompono sono dello stesso tipo di quelli che si formano, questo processo avviene spontaneamente, senza bisogno di energia, altrimenti devo fornirne al sistema. In altre parole, se 2 sostanze sono entrambe caratterizzate da legami dello stesso tipo (polarizzato o non polarizzato), mescolandole otterremo un miscuglio omogeneo, se i loro legami sono diversi, ne avremo uno eterogeneo.
Dunque, saccarosio e acqua formano un miscuglio omogeneo perché, essendo entrambi caratterizzati da molecole polari, le estremità opposte δ+ e δ- sia attraggono formando un legame intermolecolare dipolo-dipolo: si costituisce così una soluzione dalle caratteristiche diverse da quelle dei suoi elementi costitutivi.
Allo stesso modo, xilene e naftalene formano un miscuglio omogeneo perché sono costituiti entrambi da molecole apolari. Infatti, per essendo la molecola apolare nel suo complesso neutra, gli elettroni che girano attorno al nucleo tendono ad essere attratti dal proprio nucleo, ma anche da quello della molecola apolare vicina: si crea, dunque, un dipolo indotto δ+ e, conseguentemente, uno δ-: si verifica così una situazione molto simile a quella che si determina tra due molecole polari, con la formazione di un legame dipolo-dipolo istantaneo, e perciò molto debole, tra le due molecole, che prende il nome di forze di dispersione di London, iterazioni determinate dalla reciproca influenza di molecole apolari vicine.
Nei casi in cui si tenta di mescolare sostanze dalle molecole differenti (acqua e naftalene; xilene e saccarosio; acqua e xilene) si formano miscugli eterogenei (un’emulsione temporanea nel caso di acqua e xilene), perché i legami che si andrebbero a formare tra le due molecole sarebbe meno forte di quello che si dovrebbe andare a rompere e quindi il sistema, nella sua totalità, decide di non formare alcun legame, anche se si è osservato sia con acqua e xilene, sia con naftalene e acqua che, scotendo, sembra che le due sostanze si uniscano ( si verificano, anche grazie alla forza meccanica impressa al sistema, le forze di dispersione di cui si parlava), ma poi , lasciando che il sistema si stabilizzi, queste forze temporanee e molto deboli si dissolvono, anche perché diminuisce la superficie di contatto tra le 2 sostanze.
Riamane come al solito da spiegare il fatto che il sale formi un miscuglio omogeneo con l’acqua ed eterogeneo con lo xilene.Questo avviene perché gli ioni a contatto con l’acqua vengono circondati da molecole polari e questa idratazione riesce a vincere l’attrazione tra ioni di segno opposto che forma il reticolo cristallino, rompendo i legami e portandone alla formazione di nuovi, del tipo ione-dipolo, che sono meno forti di quelli ione–ione, ma molto più numerosi e perciò più vantaggiosi. Le molecole apolari non sono in grado, data la loro neutralità, di rompere il fortissimo legame ionico e quindi non si crea alcun legame intercellulare che risulterebbe sconveniente.
Infine, resta da chiarire il fatto che la naftalina lo xilene in acqua tendono, stabilizzandosi il sistema, l’una a galleggiare come corpo di fondo, l’altro a disporsi, nell’emulsione, sopra all’acqua: questo è dovuto a una differenza di pesi specifici.
– Conclusioni: dall’esperienza si è capito che:
==> Le molecole polari hanno caratteristiche e comportamenti diversi da quelle apolari; in particolare, le polari sono attratte da un corpo elettricamente carico, mentre le apolari no (o solo in parte) e questo dipende dalla distribuzione della carica della molecola e dalla sua forma;
==> Solo tra molecole dello stesso tipo si può formare un miscuglio omogeneo, caratterizzato da legami intercellulari del tipo dipolo -dipolo o forze di van der Walls . I composti ionici formano miscugli omogenei con molecole solo polari, costituendo legami ione-dipolo. Legami intercellulari tra molecole di tipo diverso sono sconvenienti dal punto di vista energetico, perché l’energia spesa per distruggere i legami supererebbe quella del nuovo legame formato.
==> Le proprietà dei miscugli omogenei (i componenti perdono alcune delle loro proprietà e non sono più distinguibili, le proprietà del miscuglio sono uguali in qualunque suo punto) trovano una spiegazione diretta a partire del legame intermolecolare, più o meno forte, che si crea tra i suoi componenti: infine, l’assenza di questo legame spiega, invece, le caratteristiche dei miscugli eterogenei.