Riassunto / Abstract

Comprensione della forma tridimensionale di alcune molecole attraverso la loro modellizzazione con palloncini gonfiabili seguendo la teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) che è un modello concettualmente molto semplice che permette di trarre conclusioni qualitativamente corrette riguardo la geometria delle molecole senza necessariamente spiegare i legami chimici sll'interno delle molecole stesse.
Le coppie di elettroni che circondano un atomo si dispongono il più lontano possibile le une dalle altre. Per coppie di elettroni si intendono sia quelli impegnati nei legami (coppie condivise) sia i doppietti liberi (coppie non condivise). I legami covalenti doppi e tripli, ai fini della geometria molecolare, valgono quanto i legami covalenti singoli.

L'approccio ai contenuti risulta sempre complesso quando ci si riferisce ai concetti "microscopici" dell'ambito della chimica ossia quando si devono spiegare (pur attraverso il costante ricorso a modelli teorici) qustioni che riguardano singoli atomi, molecole, composti, legami interatomici o intermolecolari. Cercare quindi sempre qualcosa di "visibile", "sperimentabile con i sensi" a livello macroscopico è l'obiettivo che mi prefiggo per poi passare alla motivazione profonda dei fenomeni che ha le sue spiegazioni nel "microscopico".

Scheda sintetica delle attività

suddividere la classe in gruppi di lavoro da tre alunni per gruppo;
assegnare ad ogni gruppo una molecola e chiedere ai ragazzi di schematizzare la relativa formula di struttura;
identificare nel guscio di valenza le coppie di elettroni condivise e quelle non condivise;
gonfiare i palloncini dei due colori corrispondenti alle coppie di elettroni condivise e non condivise;
seguendo lo schema delle formule di struttura, assemblare i palloncini costruendo i modelli molecolari tridimensionali;
confrontare i vari modelli ottenuti nei gruppi commentando le varie geometrie molecolari ottenute;
usare la geometria delle molecole per giustificare i comportamenti "macroscopici" da cui si era partiti per la problematizzazione dell'attività.

Risorse necessarie

Palloncini gonfiabili di due colori.

Prerequisiti necessari

Conoscenze dei vari tipi di legame interatomico in particolare quelli covalenti;
concetto di legame interatomico covalente omo ed eteropolare;
conoscenza struttura atomica e disposizione degli elettroni di valenza nell'orbitale più esterno;
rappresentazione con la struttura di Lewis.

Obiettivi di apprendimento

Acquisizione di concetti di :

polarità dei legami covalenti nelle molecole;
importanza della geometria molecolare e forma tridimensionale delle molecole;
forze esercitate nelle molecole dalle coppie di elettroni condivise e non condivise;
polarità delle molecole risultanti dalle reciproche spinte delle coppie condivise e non condivise.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Premessa

Le coppie di elettroni che circondano un atomo si dispongono il più lontano possibile le une dalle altre. Per coppie di elettroni si intendono sia quelli impegnati nei legami (coppie condivise) sia i doppietti liberi (coppie non condivise). I legami covalenti doppi e tripli, ai fini della geometria molecolare, valgono quanto i legami covalenti singoli.

La teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) è un modello concettualmente molto semplice che permette di trarre conclusioni qualitativamente corrette riguardo la geometria delle molecole senza necessariamente spiegare i legami chimici all'interno delle molecole stesse.

Per quanto riguarda i legami covalenti li abbiamo distinti in omopolari ed eteropolari soffermandoci anche con disegni e rappresentazioni grafiche sulla diversa distribuzione degli elettroni di valenza implicati nei legami dei due o più atomi concorrenti alla formazione della molecola.

E' stata introdotta ed approfondita anche la teoria di Lewis (regola dell'ottetto) che è di semplice approccio e quindi accessibile per gli studenti, ma presenta numerose carenze non adattandosi, per esempio, a tutte le molecole che abbiamo preso in considerazione. Ad esempio la molecola $BF_2$ e la molecola $PF_3$ sono due casi in cui non viene soddisfatta la regola dell'ottetto in quanto nella prima il B è circondato solo da sei elettroni, mentre nella seconda il P è circondato da 10. Inoltre, la teoria di Lewis non giustifica l'aumentata stabilità di una molecola rispetto ai singoli atomi isolati, né la simmetria dei legami, né la geometria della molecola. Ecco quindi la necessità di introdurre la teoria VSEPR che consente quel salto mentale dal "micro" al "macro" che è possibile confermare anche sperimentalmente in laboratorio (miscibilità delle sostanze, repulsione elettrica ecc.)

Discussione iniziale

Per introdurre la teoria VSEPR sono partita facendo osservare sperimentalmente ai ragazzi come l'acqua allo stato solido galleggi sul rispettivo liquido, in contrasto a ciò che accade per tutte le altre sostanze nelle quali passando dallo stato liquido a quello solido si nota una diminuzione di volume, un aumentano di densità e quindi il solido affonda nel rispettivo liquido.

In un brain-storming preliminare abbiamo poi recuperato alcuni concetti sperimentati nella classe prima, quando ci occupavamo dei miscugli tra sostanze ed eravamo arrivati alla conclusione che "il simile scioglie il simile" quindi allora, solo macroscopicamente, avevamo concluso che ci sono alcune "affinità" tra le sostanze stesse che ne consentono diverse miscibilità.

Ancora sperimentalmente avevamo notato che una bacchetta di ebanite strofinata su un panno di lana, quindi caricata elettricamente, attirava a sè il filo d'acqua uscente da una pipetta o da una piccola spruzzetta: l'acqua si mostra quindi essa stessa composta da molecole "polari".

Rispetto ai legami covalenti (argomento trattato nell'unità didattica precedente a questo argomento) abbiamo ricordato che modellizzando la condivisione elettronica dei due atomi che concorrono al legame, con una nuvola, tale nuvola è più consistente e voluminosa in prossimità dell'atomo più elettronegativo, meno consistente e voluminosa in corrispondenza dell'atomo meno elettronegativo e ciò crea una polarità del legame stesso. Ovviamente nel caso in cui gli atomi siano dello stesso tipo, la nube sarà omogenea e quindi il legame risultante non avrà polarità.

Ci siamo quindi posti l'obiettivo di costruire un modello concreto in grado di spiegare i comportamenti macroscopici osservati indagando sulla natura microscopica della materia, nel rispetto delle conoscenze pregresse acquisite sulla struttura dell'atomo e sulla distribuzione delle sue subparticelle.

A questo punto ho introdotto la teoria VSEPR secondo la quale le coppie di elettroni esterni degli atomi (guscio di valenza) si respingono reciprocamente. Le coppie elettroniche in questione hanno quindi un atteggiamento "dinamico" che induce una forma tridimensionale delle molecole.

Realizzazione

La classe è stata poi divisa in gruppi da tre studenti ciascuno e ad ogni gruppo è stata assegnata una molecola da modellizzare (ho scelto alcune molecole che molto frequentemente sono usate anche nei manuali scolastici per spiegare questo argomento).

Prima dell'allestimento del modello vero e proprio ho chiesto che in ogni gruppo venisse schematizzata la formula di struttura di ogni molecola evidenziando i legami tra gli atomi con un trattino e lineette a rappresentare la/e coppia/e non condivisa/e attorno ad ogni singolo atomo.

Dopodiché si sono gonfiati i palloncini gialli (coppie condivise), verdi (coppie non condivise) e si è proceduto all'assemblaggio usando come modelli le formule di struttura prima schematizzate.

Non è stato semplicissimo gonfiare i palloncini portandoli tutti allo stesso volume per cui se durante l'assemblaggio si evidenziavano anomalie di forma, l'operazione veniva ripetuta con maggiore attenzione e meticolosità (qualche palloncino è scoppiato creando la necessita di ripetere più volte diverse operazioni).

I gruppi che dovevano costruire molecole che si potevano appoggiare sul piano hanno avuto meno difficoltà rispetto a quelli le cui molecole andavano sostenuta dalla mano.

Forse lo stesso risultato si potrebbe ottenere usando, anziché palloncini, ad esempio gomitoli di lana colorati assemblati con la colla a caldo.

Discussione finale e collegamenti interdisciplinari

Al termine in una ratifica finale, abbiamo confrontato le molecole ottenute da tutti i gruppi, le abbiamo fotografate dopo aver schematizzato le relative formule sulla lavagna ed abbiamo cercato di capire il perché di alcuni comportamenti "macroscopici" in rapporto alle forme attenute.

Per esempio, abbiamo capito che la forma piegata della molecola d'acqua (determinata dalla repulsione di due coppie libere e due coppie condivise) crea una polarità della molecola che tenderà a formare legami idrogeno con altre molecole polari e a creare un reticolo cristallino "dilatato" quando passa dallo stato liquido a quello solido.

Parallelo è stato il lavoro in collaborazione con l'insegnante di disegno che ha fatto rappresentare graficamente ai ragazzi le forme geometriche modellizzate: lineari, angolari, triangolari, tetraedriche, piramidali, bipiramidali e ottaedriche.

Abbiamo inoltre concluso il nostro lavoro connettendoci al programma di biologia sulla fisiologia umana, ricordando quanto la forma delle molecole sia importante nel comportamento di molte sostanze (quelle che determinano odori, sapori ecc.) che per come "sono fatte" possono essere recepite, legarsi con siti specifici delle membrane sensoriali dei nostri recettori del gusto, dell'olfatto ecc.

Figura 1: le molecole di $XeF_4$, $SF_4$, $NH_3$, $BrF_5$, $BF_3$ e $CF_4$.

Figura 2: le molecole di $BaCl_2$, $BF_3$, $PF_5$, $SF_6$, $H_2O$ e $XeF_2$.

Note e storia

La teoria VSEPR è stata formalizzata nel 1957 in seguito alle ricerche del prof Ronald James Gillespie, chimico canadese nato a Londra che collaborava con il prof Ronald Nyholm. I loro studi avevano in realtà preso spunto da un precedente modello proposto da Sidgwick e Powell nel 1940. Attraverso le loro pubblicazioni, Gillespie e Nyhalm spiegarono come sia possibile descrivere la forma delle molecole in base alla repulsione o attrazione delle coppie elettroniche del guscio di valenza dell'atomo centrale delle molecole o nello ione molecolare in esame.

Bibliografia

Valitutti-Tifi-Gentile “Esploriamo la chimica” Zanichelli;
Passannanti-Sbriziolo"Noi e la chimica"Tramontana;
http://www.youtube.com/watch?v=gOvfzoeJrkQ&hd=1;
https://it.wikipedia.org/wiki/Teoria_VSEPR;
https://www.didascienze.it/teoria-vsepr.html.

Autori

Pasquini Giuliana

Forma delle molecole