I legami Sigma e Pi sono i due tipi di legami covalenti presenti nelle molecole e nei composti. I legami Sigma e Pi svolgono un ruolo cruciale nella comprensione della struttura, della stabilità e della reattività di un'ampia gamma di specie chimiche. I legami Sigma sono caratterizzati dalla sovrapposizione frontale, da una maggiore densità elettronica lungo l’asse del legame e dalla capacità di ruotare liberamente. I legami Pi, d'altra parte, implicano una sovrapposizione parallela degli orbitali p, una densità elettronica sopra e sotto l'asse internucleare e limitano la rotazione in una certa misura.
In questo articolo discuteremo il concetto di legami sigma e pi compresi i loro vari esempi, caratteristiche e differenze chiave tra entrambi i legami. Entro la fine di questo articolo, avrai una solida conoscenza di questi legami covalenti essenziali, ovvero i legami Sigma e Pi; e il loro significato nel mondo della chimica.
Tabella dei contenuti
- Cos'è Sigma Bond?
- Tipi di legame Sigma
- Cosa sono i Pi Bond?
- Differenze tra i legami Sigma e Pi
- Importanza dei legami Sigma e Pi nel legame chimico
Cos'è Sigma Bond?
Il legame Sigma è formato dalla sovrapposizione end-to-end degli orbitali di legame lungo l'asse internucleare. Questa è chiamata sovrapposizione frontale o sovrapposizione assiale. La sovrapposizione degli orbitali s, così come la sovrapposizione degli orbitali p in un singolo legame, si traduce in legami sigma. I legami Sigma consentono la libera rotazione attorno all’asse del legame perché la densità elettronica è concentrata lungo l’asse del legame.
Caratteristiche dei legami Sigma
Le caratteristiche principali dei legami sigma sono:
- Il legame Sigma è un legame forte con una direzione ben definita.
- La densità elettronica in un legame sigma è concentrata lungo l'asse internucleare.
- I legami Sigma consentono la libera rotazione attorno all’asse del legame.
- I legami Sigma possono esistere in legami singoli, doppi o tripli.
- I legami Sigma mostrano una simmetria cilindrica lungo l’asse del legame.
Esempi di legami Sigma
Esistono vari esempi di legami sigma poiché tutti i legami singoli sono solo legami simaga. Alcuni esempi comuni sono:
- Nel metano (CH4), i singoli legami carbonio-idrogeno sono legami sigma.
- Nell'etilene (C2H4), il doppio legame carbonio-carbonio comprende un legame sigma e un legame pi greco.
- In una molecola d'acqua (H2O), ci sono due legami sigma: uno tra ciascun atomo di idrogeno e l'atomo di ossigeno.
- Nell'ammoniaca (NH3), ci sono tre legami sigma, uno per ciascun atomo di idrogeno legato all'atomo di azoto.
Legami Sigma nella teoria degli orbitali molecolari
- Nella teoria degli orbitali molecolari, i legami sigma sono spiegati in termini di interazione tra orbitali atomici per formare orbitali molecolari.
- Nella teoria degli orbitali molecolari, il punto di partenza è la considerazione degli orbitali atomici dei singoli atomi in una molecola.
- La formazione dei legami sigma comporta la sovrapposizione degli orbitali atomici di due atomi.
- Quando due orbitali atomici si sovrappongono, si combinano per formare orbitali molecolari.
- Nel caso di un legame sigma, l'interferenza costruttiva delle funzioni d'onda dei due orbitali atomici risulta in un orbitale molecolare sigma (σ MO).
- La teoria degli orbitali molecolari prevede la formazione di orbitali molecolari sia di legame che di antilegame.
- Il legame MO (legame σ) ha un'energia inferiore ed è associato alla densità elettronica tra i nuclei, che stabilizza la molecola.
- L'MO di antilegame (antilegame σ*) ha un'energia più elevata e contiene una densità elettronica all'esterno della regione internucleare.
Tipi di legame Sigma
I legami Sigma possono essere classificati in diversi tipi in base alla natura degli orbitali atomici coinvolti e al modo in cui si sovrappongono. I principali tipi di legami sigma includono:
s-s Sovrapposizione
Nella sovrapposizione ss, due orbitali s di due atomi si sovrappongono direttamente lungo l'asse internucleare (sovrapposizione frontale).
Ad esempio, nella molecola di idrogeno (H2), due atomi di idrogeno formano un legame sigma attraverso la sovrapposizione di ss.
In questo caso, c'è una sovrapposizione di due orbitali s semiriempiti lungo l'asse internucleare come mostrato di seguito:
s-p Sovrapposizione
In questo caso, vi è una sovrapposizione tra l'orbitale s riempito per metà di un atomo e gli orbitali p riempiti per metà di un altro atomo. Nella sovrapposizione sp, l'orbitale s e l'orbitale p di due atomi diversi si sovrappongono direttamente lungo l'asse internucleare.
Un classico esempio di sovrapposizione sp si trova nei legami carbonio-idrogeno (C-H) nel metano (CH4), dove l'orbitale 2s dell'atomo di carbonio si sovrappone all'orbitale 1s dell'atomo di idrogeno per formare legami sigma.
p-p Sovrapposizione
Questo tipo di sovrapposizione avviene tra gli orbitali p riempiti per metà dei due atomi che si avvicinano. Nella sovrapposizione pp, due orbitali p paralleli di due atomi si sovrappongono fianco a fianco sopra e sotto l'asse internucleare.
Ad esempio, in una molecola come l’etene (C2H4), il doppio legame carbonio-carbonio è costituito sia da un legame sigma che da un legame pi formato attraverso la sovrapposizione pp.
Cosa sono i Pi Bond?
Nella formazione del legame pi greco, gli orbitali atomici si sovrappongono in modo tale che i loro assi rimangano paralleli tra loro e perpendicolari agli assi internucleari. I legami Pi di solito si formano in aggiunta ai legami sigma in legami doppi o tripli (come negli alchini o alchini) e comportano la sovrapposizione di orbitali p non ibridati. I legami Pi limitano la rotazione attorno all'asse del legame in una certa misura perché la densità elettronica è sopra e sotto l'asse internucleare.
Caratteristiche dei legami Pi
- I legami Pi limitano la rotazione tra gli atomi in una molecola.
- In un legame pi greco la densità elettronica è concentrata sopra e sotto l’asse internucleare.
- I legami Pi sono generalmente più deboli dei legami sigma a causa della loro sovrapposizione da lato a lato.
- Nei legami pi greco la densità elettronica è distribuita su un'area più ampia.
- I legami Pi si trovano comunemente nei legami doppi e tripli.
Esempi di legami Pi
- L'etilene (noto anche come etilene) contiene un doppio legame tra due atomi di carbonio. In questo legame c'è un legame sigma (σ) e un legame pi greco (π) formati dalla sovrapposizione degli orbitali p.
- Il benzene è una struttura ad anello a sei membri con alternanza di legami singoli e doppi. Presenta tre legami sigma (C-C) e tre legami pi (C=C).
- Nella molecola di ossigeno (O2), esiste un doppio legame tra i due atomi di ossigeno. Questo doppio legame contiene un legame sigma e un legame pi greco. Il legame pi greco si forma quando gli orbitali p degli atomi di ossigeno si sovrappongono fianco a fianco.
- Nella molecola di azoto (N2), esiste un triplo legame tra i due atomi di azoto, costituito da un legame sigma (σ) e due legami pi greco.
Differenze tra i legami Sigma e Pi
Le differenze tra il legame sigma e pi greco sono le seguenti:
| Caratteristica | Legame Sigma (σ). | Legame pi greco (π). |
|---|---|---|
| Formazione di legami | Formato dalla sovrapposizione frontale o end-to-end degli orbitali atomici. | Formato dalla sovrapposizione laterale degli orbitali atomici. |
| Numero di obbligazioni in una singola obbligazione | Un singolo legame sigma è sempre presente in un singolo legame covalente. | Un singolo legame pi greco è tipicamente accompagnato da un legame sigma in un singolo legame. |
| Distribuzione degli elettroni | Gli elettroni sono concentrati lungo l'asse tra i due nuclei. | Gli elettroni sono distribuiti sopra e sotto l'asse di legame, creando una nuvola di elettroni. |
| Forza del legame | I legami Sigma sono generalmente più forti e più stabili dei legami Pi. | I legami Pi sono più deboli e più suscettibili alle interruzioni rispetto ai legami sigma. |
| Rotazione contiene in stringa | I legami Sigma consentono la libera rotazione attorno all’asse del legame. | I legami Pi limitano la rotazione e creano un carattere di doppio legame o triplo legame. |
| Ibridazione | I legami sigma possono formarsi con gli orbitali s e p e coinvolgono sp, sp2, o sp3ibridazione. | I legami Pi tipicamente comportano una sovrapposizione pp e possono richiedere l'uso di orbitali p non ibridati. |
| Posizione in legami multipli | I legami Sigma si trovano nei legami singoli e il primo legame nei legami multipli (ad esempio, in un doppio o triplo legame). | I legami Pi si trovano in più legami, come il secondo e il terzo legame in un doppio o triplo legame. |
| Tipo di sovrapposizione | Sovrapposizione testa a testa degli orbitali. | Sovrapposizione laterale degli orbitali. |
| Esempi | Legame singolo C-C, legame C-H, doppio legame C=C, legame triplo C≡C | Doppio legame C=C, triplo legame C≡C, triplo legame N=N |
| Forza | Generalmente più forte | Generalmente più debole |
| Numero in più legami | Un legame sigma in un singolo legame; un legame sigma nel doppio legame (più un legame pi greco); un legame sigma in un triplo legame (più due legami pi) | Un legame pi greco nel doppio legame; due legami pi greco in triplo legame |
| Densità elettronica | Concentrato lungo l'asse internucleare | Concentrato sopra e sotto l'asse internucleare |
| Rotazione | Consente la rotazione libera attorno all'asse di legame | Limita la rotazione a causa della sovrapposizione da lato a lato |
| Geometria degli orbitali | Gli orbitali Sigma sono cilindricamente simmetrici. | Gli orbitali Pi hanno due lobi sopra e sotto l'asse di legame. |
| Evento | Trovato in tutti i legami covalenti, compresi i legami singoli, doppi e tripli | Si trova nei legami doppi e tripli |
Esempi di legami Sigma e Pi
Esistono vari esempi di legami sigma e pi. Discutiamo alcuni esempi come segue:
Legami Sigma e Pi nell'Etene (C2H4)
Nelle molecole con legami doppi (π) o tripli (σ), oltre ai legami pi esistono anche i legami sigma. Ad esempio, nell'etene (C2H4), il legame carbonio-carbonio contiene un legame sigma e un legame pi greco.
Il legame sigma è quello direttamente tra i due atomi di carbonio (C-C), e il legame pi si forma sopra e sotto il legame sigma negli orbitali p degli atomi di carbonio.
Legami Sigma e Pi nell'acetilene (C2H2)
Acetilene (c2H2) contiene un triplo legame tra i due atomi di carbonio. Questo triplo legame è costituito da un legame sigma e due legami pi:
In questo caso sono presenti due legami pi greco sopra e sotto il legame sigma. I legami pi sono formati dalla sovrapposizione laterale degli orbitali p degli atomi di carbonio.
Legami Sigma e Pi nel benzene
Nel benzene (C6H6), ci sono sei legami sigma (σ) formati dalla sovrapposizione frontale degli orbitali atomici, che forniscono stabilità strutturale. Inoltre, ci sono tre legami pi greco (π) associati ai doppi legami alternati nell’anello esagonale, che contribuiscono alla stabilità e alla reattività uniche della molecola grazie alla nuvola di elettroni delocalizzata sopra e sotto l’anello.
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Importanza dei legami Sigma e Pi nel legame chimico
Ci sono alcuni significati dei legami Sigma e Pi nel legame chimico, e questi sono:
- Il numero e il tipo di legami sigma e pi in una molecola sono cruciali per determinarne la stechiometria.
- La loro importanza risiede nel loro contributo alla struttura, alla stabilità e alla reattività delle molecole.
- I legami Sigma consentono la libera rotazione attorno all'asse del legame, che è cruciale per lo studio dell'isomeria conformazionale in chimica organica. I legami Pi, d'altro canto, limitano la rotazione, contribuendo alla rigidità delle molecole contenenti legami doppi o tripli.
Domanda di esempio sui legami Sigma e sui legami Pi
Domanda 1: Discuti in dettaglio Sigma e Pi Bond.
Risposta:
I legami Sigma (σ) e pi (π) sono due tipi fondamentali di legami covalenti formati tra gli atomi quando condividono gli elettroni. I legami Sigma sono generalmente più forti dei legami Pi a causa della sovrapposizione più diretta degli orbitali, che risulta in una maggiore densità elettronica lungo l’asse del legame.
Domanda 2: Spiega le differenze tra Sigma e Pi Bond.
Risposta:
I legami Sigma (σ) sono formati dalla sovrapposizione frontale degli orbitali atomici, consentendo la rotazione libera lungo l'asse del legame. I legami Pi (π) risultano dalla sovrapposizione laterale degli orbitali p, limitando la rotazione e formando un legame doppio o triplo. I legami Sigma sono più forti e primari, mentre i legami pi sono più deboli e secondari nei legami multipli.
Domanda 3: Come viene determinata la stabilità di una molecola?
Risposta:
La stabilità di una molecola è determinata principalmente dalla forza dei legami covalenti e dalla disposizione di tali legami nella struttura della molecola. I legami Sigma forniscono la connessione primaria tra gli atomi e sono generalmente più forti dei legami Pi. Tuttavia, i legami pi greco contribuiscono alla forza complessiva del legame e possono influenzare la geometria e la reattività della molecola. La combinazione di legami sigma e pi consente la formazione di molecole stabili con strutture ben definite e la loro presenza è cruciale nel determinare le proprietà chimiche e la reattività dei composti.
Obbligazioni Sigma e obbligazioni Pi: domande frequenti
1. Cosa sono i legami Sigma e Pi?
I legami Sigma (σ) risultano dalla sovrapposizione orbitale atomica testa a testa e consentono la libera rotazione. I legami Pi (π) si formano dalla sovrapposizione orbitale p parallela, limitando la rotazione.
2. Quanti obbligazioni Sigma e obbligazioni Pi può avere un singolo legame?
Un singolo legame covalente è costituito da un legame sigma e non ci sono legami pi in un singolo legame.
3. Un doppio legame può avere sia legami Sigma che Pi?
Un doppio legame è formato da un legame sigma (σ) e un legame pi greco (π).
4. Quali tipi di orbitali possono formare legami Sigma?
I legami Sigma possono formarsi dalla sovrapposizione di orbitali s-s, s-p, pp e alcuni orbitali d.
5. Quali tipi di orbitali possono formare legami Pi?
I legami Pi si formano dalla sovrapposizione di orbitali paralleli p-p o d-p.
6. I legami Sigma e Pi possono coesistere nella stessa molecola?
Sì, i legami sigma e pi possono coesistere nella stessa molecola, come nei legami doppi e tripli.
7. Tutte le molecole hanno legami Sigma e Pi?
Non tutte le molecole hanno sia legami sigma che pi; alcuni hanno solo legami sigma.
8. I legami Sigma e Pi sono ugualmente forti?
I legami sigma sono generalmente più forti dei legami pi a causa della maggiore sovrapposizione degli orbitali nei legami sigma.
9. Come capire i legami Sigma e Pi?
Disegnando la struttura di Lewis e identificando i legami singoli, doppi e tripli.
10. Qual è il numero di legami Sigma (σ) e Pi (π) nel benzene?
Legami Sigma (σ): ci sono un totale di 12 legami sigma nel benzene. Questi includono i sei legami singoli carbonio-carbonio e i sei legami singoli carbonio-idrogeno.
Legami Pi (π): ci sono tre legami pi (legami π) nel benzene, che contribuiscono alla sua aromaticità.