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MEP, Le mappe dei potenziali elettrostatici

cicloalcani

Le Mappe di potenziale elettrostatico MEP, conosciute anche come mappe di energia potenziale elettrostatica, o superfici di potenziale elettrico molecolare, mostrano le distribuzioni di carica delle molecole in tre dimensioni.

Le MEP ci permettono di visualizzare le differenti regioni di una molecola, come si distribuiscono la carica positiva o la carica negativa

Le cariche sono mappate su distanze specifiche come la distanza di Van Der Walls.
cicloalcani

La conoscenza della distribuzione delle cariche permette di comprendere come una molecola interagisce con un’altra.

L’origine della differente distribuzione delle cariche in una molecola è la differenza di elettronegatività tra i singoli atomi e la distanza e posizione dei legami nella molecola stessa.

MEP L’energia di potenziale elettrostatico si calcola ponendo idealmente una carica positiva +1 ad una distanza dalla molecola.

Se la carica è respinta l’Energia è positiva in quanto le due cariche sono entrambe positive. Se invece la carica è attratta, l’energia sarà negativa e si avrà l’attrazione tra carica e molecola.

La formula scritta sopra tiene conto di tutte le cariche presenti in una molecola, tutti gli elettroni e tutti i nuclei degli atomi che la costituiscono.

Di conseguenza l’energia misurata in un punto è la risultante di tutte le energie di attrazione e di repulsione.

Inoltre questa energia dipenderà espressamente dalla DISTANZA della carica + esploratrice dalla superficie della molecola. Più è distante minore è l’interazione.

Questo calcolo matematico è fatto sfruttando l’equazione di Schroedinger e ponendo i risultati ottenuti su una SUPERFICIE ad una certa distanza dai nuclei.

Il risultato sarà una superficie o mappa che sarà colorata dal ROSSO verso il BLU. Il ROSSO indica zone ricche di elettroni, mentre il BLU zone povere di elettroni.

Uno degli scopi per cui si calcolano queste mappe MEP è quello di trovare il sito reattivo di una molecola.

Una zona con bassa energia elettrostatica (zone rosse) tenderà ad interagire bene con parti di altre molecole che invece hanno un’alta energia elettrostatica (zone blu), permettendo quindi almeno in termini non approfonditi di predire un comportamento chimico o fisico delle molecole.

Per comprendere la ragione per cui gli elettroni non sono egualmente condivisi in una molecola bisogna ricorrere alla differente ELETTRONEGATIVITA’ dei legami chimici e alla differente geometria molecolare.

Una scala delle elettronegatività fu creata da Linus Pauling per gli atomi che mostriamo nella tabella di seguito secondo la tavola periodica. Infatti essa è una proprietà periodica.

La elettronegatività cresce spostandosi verso destra lungo un periodo e decresce andando verso il basso lungo un gruppo.

Più grande è il numero maggiore è la elettronegatività cioè maggiore è la capacità di un atomo di tenere a sé un doppietto di legame.

Quindi quando si forma un legame tra elementi meno elettronegativi e più elettronegativi si ha una separazione di carica che porta (δ+) sull’atomo meno elettronegativo e (δ-) sull’atomo più elettronegativo.

Tavola delle Elettronegatività secondo Pauling

H

2.2

Li

1.0

Be

1.6

B

1.8

C

2.5

N

3.0

O

3.4

F

4.0

Na

0.9

Mg

1.3

Al

1.6

Si

1.9

P

2.2

S

2.6

Cl

3.2

K

0.8

Br

3.0

I

2.7

Dipolo elettrico permanente

Quando si ha una separazione di cariche poste ad una distanza fissa, si forma un DIPOLO ELETTRICO PERMANENTE che è un vettore con la punta che va verso (δ-) il cui modulo è dato da μ = q x d. Q è la differenza di carica mentre d è la distanza.

L’unità di misura è il Debye, D dove 1D= 3,336·10−30 C·m. nel sistema internazionale. Per l’acqua il momento di dipolo elettrico è 1,85 D.

Momento di dipolo di legame

Legame Momento di dipolo D
H-C 0.3
H-N 1.31
H-O 1.53
C-N 0.22
C-O 0.86
C-F 1.51
C-Cl 1.56
C-Br 1.48
C-I 1.29
C=O 2.4
CN ciano 3.6

In chimica organica i legami più diffusi sono il legame covalente puro e quello covalente polare. Più rari sono i legami ionici

I legami covalenti puri sono tipici degli alcani e cicloalcani. Tra gli alcheni ed alchini si ritrova un caso di differente elettronegatività tra atomi di Carbonio che sono ibridizzati in modo differente.

Tra i legami chimici di tipo ionico sono importanti i Reagenti di Grignard e i reagenti al Litio

Carichiamo ora la molecola del Cloruro di Idrogeno

Dal momento che il Cl è più elettronegativo dell’Idrogeno 3,16 del Cl contro 2,2 del H, il legame tra H e Cl sarà polarizzato. Sul Cl si osserverà una carica negativa parziale mentre sull’ H una carica postiva parziale.
Di conseguenza si avrà la seguente mappa di densità elettronica, come pure un vettore di dipolo orientato verso il Cloro.

Calcola il dipolo della molecola di

calcola cariche parziali