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Un segreto nascosto della chimica: perché alcune coppie solitarie di elettroni portano alla chiralità molecolare?
In chimica, una coppia solitaria di elettroni è una coppia di elettroni di valenza che non è condivisa con nessun altro atomo. Questi elettroni non condivisi sono talvolta chiamati coppie non condivise o coppie non leganti e solitamente si trovano nel guscio elettronico più esterno di un atomo. La presenza di coppie solitarie di elettroni non è solo una considerazione della configurazione elettronica, ma ha anche un impatto significativo sulla geometria e sulle proprietà chimiche delle molecole, soprattutto in termini di chiralità molecolare.
La presenza di coppie solitarie di elettroni può influenzare la struttura geometrica delle molecole e portare alla formazione di molecole chirali.
Secondo la teoria della repulsione delle coppie di elettroni nel guscio di valenza (VSEPR), le coppie solitarie di elettroni mostrano una polarità negativa significativa a causa della loro elevata densità di carica e sono solitamente più vicine al nucleo rispetto agli elettroni della coppia legante. Questa repulsione, a sua volta, riduce l'angolo tra le coppie di legami. Ad esempio, gli atomi di ossigeno della molecola d'acqua hanno due coppie solitarie di elettroni, per cui l'angolo di legame H-O-H tra gli atomi di idrogeno è di circa 104,5 gradi, ovvero inferiore alla geometria tetraedrica ideale di 109 gradi. La forte repulsione della coppia solitaria di elettroni spinge gli atomi di idrogeno ancora più lontano.
Oltre a influenzare la geometria, le coppie solitarie di elettroni possono anche contribuire al momento di dipolo della molecola. Ad esempio, l'ammoniaca (NH3) forma un legame polare N-H perché l'azoto ha un'elettronegatività maggiore dell'idrogeno e la coppia solitaria di elettroni rafforza ulteriormente l'effetto di questo momento di dipolo. Al contrario, il fluoruro di azoto (NF3) ha un momento di dipolo inferiore a causa della maggiore elettronegatività del fluoro, che riflette il ruolo delle coppie solitarie di elettroni in diverse strutture.
Le coppie solitarie di elettroni possono conferire alle molecole caratteristiche polari diverse, influenzandone così le proprietà chimiche.
In alcuni casi, le coppie solitarie di elettroni non solo contribuiscono a formare la chiralità molecolare, ma possono anche creare nuove strutture chimiche. Ad esempio, quando tre gruppi diversi sono legati a un atomo, se quell'atomo ha una coppia solitaria di elettroni, quell'atomo formerà un centro chirale. Osserviamo questo fenomeno nelle ammine, nei fosfani e in molti altri composti. Tuttavia, a causa della bassa barriera energetica di inversione dell'azoto, queste molecole chirali spesso si interconvertono rapidamente a temperatura ambiente, rendendone difficile la separazione.
Inoltre, anche gli ioni bivalenti di metalli pesanti come piombo e stagno presentano effetti stereochimici di coppie di elettroni solitari. Gli elettroni delle coppie solitarie ns2 di questi metalli pesanti possono influenzare la loro struttura di coordinazione, dando origine a forme cristalline asimmetriche. Studi recenti hanno scoperto che il comportamento di questa coppia solitaria di elettroni potrebbe non essere correlato alle precedenti spiegazioni dell'ibridazione dei metalli pesanti, ma è invece influenzato dallo stato elettronico del ligando.
Le coppie di elettroni solitari dei metalli pesanti possono portare alla distorsione della struttura di coordinazione, dimostrando le loro complesse proprietà chimiche.
Nella chimica delle soluzioni, la partecipazione di coppie solitarie di elettroni può anche portare alla formazione di reazioni acido-base. Quando un acido viene disciolto in acqua, la coppia solitaria di elettroni sull'atomo di ossigeno attrae l'idrogeno ionizzato (ione idrogeno) per formare lo ione idronio (H3O+). Questo processo e l'interazione tra coppie solitarie di elettroni nelle molecole dimostrano chiaramente il ruolo indispensabile delle coppie solitarie di elettroni nelle reazioni chimiche.
Nei corsi introduttivi di chimica, la coppia solitaria di elettroni nella molecola d'acqua viene spesso descritta come "orecchie di coniglio", il che in qualche modo rende visivamente l'esistenza e l'impatto di questa coppia. Tuttavia, nella ricerca chimica più avanzata, esistono spiegazioni più complesse che analizzano il comportamento di queste coppie solitarie attraverso la simmetria delle molecole.
Inoltre, le proprietà delle coppie di elettroni solitari non solo influenzano la forma geometrica del composto, ma sono anche strettamente correlate alle interazioni, come i legami idrogeno all'interno della molecola. Nell'acqua, i legami idrogeno si formano grazie all'elevata disponibilità di queste coppie solitarie di elettroni. Questo fenomeno potrebbe anche essere una delle fonti delle proprietà fisiche e chimiche uniche dell'acqua.
Quando si tratta di descrivere le strutture molecolari, nella comunità chimica è ancora in corso un dibattito su come descrivere accuratamente le molecole contenenti coppie solitarie di elettroni. L'intima connessione tra la struttura e le proprietà di queste molecole potrebbe portare a nuove conoscenze?
