Angolo di legame

L’angolo di legame è definito come l’angolo tra  due legami, cioè l’angolo tra due orbitali contenenti coppie di elettroni di legame attorno all’atomo centrale in una molecola. Un altro modo per definire l’angolo di legame è quello di considerare l’angolo formato tra tre atomi attraverso almeno due legami.

ibridazione
ibridazione

Si misura in gradi e viene calcolato utilizzando metodi spettroscopici ma può anche essere previsto sulla base della teoria V.S.E.P.R. dovuta ai chimici Ronald J. Gillespie e Ronald Sydney Nyholm o conoscendo l’ibridazione dell’atomo centrale. L’angolo di legame influenza la geometria molecolare, ovvero disposizione tridimensionale degli atomi in una molecola, che determina la forma e le proprietà di una molecola.

La geometria molecolare determina le proprietà fisiche e chimiche dei composti e la polarità di una molecola ovvero la distribuzione della carica elettrica. La geometria molecolare, unitamente alla differenza di elettronegatività tra gli atomi presenti sono i fattori che determinano la polarità delle molecole. La polarità delle molecole si verifica quando il baricentro delle cariche positive non coincide con il baricentro delle cariche negative.

Ibridazione e angolo di legame

L’ibridazione influenza gli angoli di legame nelle molecole determinando la disposizione spaziale delle coppie di elettroni attorno all’atomo centrale. Il concetto di ibridazione è strettamente legato alla teoria della repulsione delle coppie di elettroni del guscio di valenza.

idrocarburi
idrocarburi

Secondo questa teoria, le coppie di elettroni attorno a un atomo centrale si dispongono in modo da ridurre al minimo la repulsione, che a sua volta determina la forma della molecola e gli angoli di legame. Il tipo di ibridazione ci fornisce un indizio sul numero di coppie di elettroni attorno all’atomo centrale e quindi sulla geometria della molecola.

In particolare in chimica organica gli alcani presentano ibridazione sp3 in cui l’angolo di legame è di 109.5°. All’aumentare del carattere s aumenta l’angolo di legame pertanto negli alcheni in cui i due atomi di carbonio legati tramite doppio legame e con ibridazione sp2 l’angolo di legame è di 120°. Infine negli alchini i due atomi di carbonio legati tramite triplo legame e con ibridazione sp hanno un angolo di legame di 180°.

Altri fattori che influenzano l’angolo di legame

I fattori che influenzano la grandezza dell’angolo di legame sono, oltre l’ibridazione, la repulsione sterica, il numero di doppietti elettronici solitari presenti sull’atomo centrale e l’elettronegatività dell’atomo centrale e di quelli ad esso legati.

La repulsione sterica si riferisce al fenomeno per il quale la disposizione spaziale di atomi o gruppi di atomi in una molecola provoca interazioni repulsive. Queste forze repulsive sono dovute alla sovrapposizione di nuvole di elettroni degli atomi o dei gruppi e possono influenzare la forma complessiva e la reattività delle molecole.

La repulsione sterica si verifica quando sostituenti o gruppi ingombranti sono molto vicini tra loro in una molecola, portando ad un aumento dell’energia potenziale e ad una resistenza alla distorsione molecolare. Questa repulsione nasce dalle forze repulsive tra le nubi di elettroni caricati negativamente che circondano gli atomi coinvolti. Di conseguenza, gli atomi o i gruppi sperimentano una forza repulsiva che impedisce loro di avvicinarsi troppo o di adottare determinate conformazioni.

La repulsione sterica può influenzare vari aspetti delle reazioni chimiche e delle interazioni molecolari oltre a influenzare l’angolo di legame, la lunghezza di legame e la geometria complessiva di una molecola. In alcuni casi, l’impedimento sterico può inibire o rallentare le reazioni chimiche impedendo ai reagenti di avvicinarsi tra loro o inibendo i riarrangiamenti necessari affinché avvenga la reazione.

Il numero di doppietti elettronici solitari, eventualmente presenti sull’atomo centrale, influenza l’angolo di legame che diminuisce all’aumentare del numero di doppietti elettronici solitari. Così nell’ammoniaca in cui l’azoto, ibridato sp3, presenta un doppietto elettronico solitario l’angolo di legame è di 107.3° a causa della repulsione tra le coppie di elettroni di legame e il doppietto elettronico solitario.

Nell’acqua in cui l’ossigeno, ibridato sp3, presenta due doppietti elettronici solitari l’angolo di legame è di 104.5°. Un altro fattore è costituito dall’elettronegatività dell’atomo centrale e l’angolo di legame aumenta con l’aumento dell’elettronegatività dell’atomo centrale

NH3 e NF3
NH3 e NF3

Si consideri, ad esempio, l’ammoniaca e il trifluoruro di azoto in cui in entrambe le molecole l’azoto è ibridato sp3 e presenta un doppietto elettronico solitario. Nell’ammoniaca l’azoto è più elettronegativo dell’idrogeno e quindi la densità elettronica sull’atomo centrale, è maggiore mentre nel trifluoruro di azoto il fluoro è più elettronegativo dell’azoto e quindi la densità elettronica sull’atomo centrale è inferiore. Di conseguenza diminuisce la distanza tra le coppie di elettroni e diminuisce anche la repulsione tra gli elettroni e quindi l’angolo di legame è di 102.4°.

L’angolo di legame è affetto dall’elettronegatività degli atomi legati all’atomo centrale risultando inversamente proporzionale all’elettronegatività dei sostituenti. Infatti un sostituente più elettronegativo attira gli elettroni verso sé diminuendo così la densità di carica sull’atomo centrale e ciò si traduce in una diminuzione dell’angolo di legame.

Pertanto gli angoli di legame negli alogenuri di fosforo che è ibridato sp3 e ha un doppietto elettronico solitario sono rispettivamente 97.8° in PF3 e aumentano al diminuire dell’elettronegatività dell’alogeno. Pertanto gli angoli di legame sono rispettivamente 100.3° in PCl3, 101° in PBr3 e 102° in PI3

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