R.C. Smith
Questa era uno dei miei tipi preferiti di domande quando ho imparato la fisica della chimica. La risposta è che ci sono diverse ragioni per cui il cloruro di sodio (NaCl) si scioglie in acqua ma non il biossido di silicio.
- i) Cloruro di sodio
Iniziamo pensando prima al cloruro di sodio (NaCl), più comunemente conosciuto come sale, o sale da cucina.
NaCl è un composto ionico. Infatti, possiamo descriverlo in termini della sua struttura ionica gigante. La struttura ionica di NaCl è così grande che non sappiamo esattamente quanti ioni ci siano. Tali composti ionici giganti come il NaCl sono potenzialmente costituiti da miliardi o addirittura trilioni di ioni di sodio e ioni di cloruro compressi o compattati insieme. Per questo motivo, alcuni lo descrivono come un reticolo infinito, o ripetuto all’infinito, di ioni, tale che il numero di ioni dipende dalla dimensione del cristallo.
Inoltre, la struttura ionica gigante di NaCl può essere considerata abbastanza diversa dalle molecole più comunemente strutturate, che contengono una ricetta esatta di atomi. Questo è il motivo per cui il NaCl è considerato un caso classico di legame ionico, in cui gli atomi trasferiscono o condividono elettroni di valenza. Questo può essere visualizzato usando un Diagramma di Lewis:
Il cloruro di sodio ha un forte legame ionico. Per invocare la fisica, possiamo dire che questo è perché c’è una forte forza elettrostatica tra gli ioni di carica opposta (cationi e anioni). Questo è generalmente vero quando i metalli (in questo caso, il sodio) reagiscono con i non-metalli (in questo caso, il cloruro).
Possiamo spiegare queste forze elettrostatiche, così come la forza del composto ionico del cloruro di sodio, citando la legge di Coulomb. Questa legge fisica descrive la forza della forza tra due particelle statiche caricate elettricamente.
Nonostante il suo forte composto ionico, NaCl si dissolve in H2O. La reazione si presenta così:
NaCl(solido) + H2O -> Na+(acquoso) + Cl-(acquoso) + H2O
Nota che c’è dissociazione. Il motivo per cui il sodio e il cloruro si dissociano ha a che fare con una serie di fattori:
In primo luogo, l’acqua è una molecola polare. In effetti, è molto polare. Ciò significa che una molecola d’acqua ha una disposizione asimmetrica di cariche parziali positive e parziali negative che formano legami polari (sotto c’è un diagramma che ho abbozzato a scopo illustrativo).
Come sappiamo, l’acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. I legami atomici in H2O sono legami covalenti, il che significa che gli elettroni sono condivisi. Di conseguenza, gli elettroni che stanno più vicini all’atomo di ossigeno ricevono una carica negativa, mentre l’atomo di idrogeno tende ad avere una carica positiva.
NaCl, invece, è composto da ioni di sodio positivi e ioni di cloruro negativi. Quindi, le estremità polari della molecola d’acqua attirano le loro parti di carica opposta di NaCl. Più concisamente, le molecole d’acqua caricate positivamente attraggono gli ioni di cloruro negativi e le molecole d’acqua caricate negativamente attraggono gli ioni di sodio positivi.
La ragione per cui il sale si dissolve in acqua è quindi dovuta a come, gli ioni di sodio caricati positivamente sono attratti dall’area polare negativa della molecola d’acqua. Allo stesso modo, gli ioni di cloruro caricati negativamente sono attratti dall’area polare positiva della molecola d’acqua. Queste forze attrattive con la molecola d’acqua sopraffanno le forze tra gli ioni di sodio positivi e gli ioni di cloruro negativi, quindi avviene la dissociazione e il composto ionico di NaCl va in soluzione.
- ii) Diossido di silicio
Ma che dire del diossido di silicio (SiO2)?
Il diossido di silicio ha una struttura covalente gigante. Questa struttura covalente, o macromolecola, è composta da atomi di ossigeno e silicio.
Il composto composto di silicio e ossigeno per formare SiO2 ha un rapporto di due atomi di ossigeno per ogni atomo di silicio. Più concisamente, ogni atomo di silicio si lega covalentemente a quattro atomi di ossigeno, mentre ogni atomo di ossigeno si lega covalentemente a due atomi di silicio. In generale, i legami covalenti si formano quando l’elemento condivide i suoi quattro elettroni di valenza, ns2np2, dando luogo alla formazione di quattro legami covalenti (Clugston e Flemming, 2015).
Il biossido di silicio, o silice, è molto duro. Da qui la sua struttura a diamante. Questo ha a che fare con la forza dei legami covalenti, con atomi di ossigeno tra ogni coppia di atomi di silicio. Questa forza dipende in gran parte dall’elettronegatività degli atomi nella misura in cui l’elettronegatività è la forza tra gli elettroni condivisi nel legame covalente tra gli atomi di silicio e di ossigeno.
Inoltre, SiO2 non è una molecola. È un solido atomico covalente a rete. Questo reticolo gigante di atomi covalenti può essere illustrato come una rete covalente 3D:
In quanto il SiO2 è un solido atomico covalente a rete (in condizioni normali), questa struttura covalente gigante ha legami covalenti molto forti. Questi legami sono diffusi o sparsi in tutta la struttura.
La ragione per cui c’è una forte elettronegatività ha a che fare con gli atomi di ossigeno, che forniscono una forza attrattiva più forte sugli elettroni rispetto agli atomi di silicio, acquisendo una parziale carica negativa. Gli elettroni sono anche strettamente compatti, il che significa che SiO2 non è conduttivo (se non a temperatura fusa). D’altra parte, SiO2 ha un’alta energia di reticolo.
Tutto questo gioca nel motivo per cui il biossido di silicio non è solubile in acqua. In relazione al legame in particolare, SiO2, o sabbia di silice, è insolubile perché le forze attrattive delle molecole d’acqua non sono abbastanza forti da rompere i legami covalenti tra gli atomi di silicio e ossigeno. In termini più precisi, non c’è attrazione tra le molecole d’acqua polari e gli atomi di silicio o di ossigeno a causa della non polarità di SiO2. Questo perché, nonostante i legami silicio-ossigeno siano molto polari, la geometria della molecola – ci sono quattro legami silicio-ossigeno che annullano il dipolo – significa che i momenti di dipolo si annullano dando luogo alla non polarità.
In conclusione, mentre il cloruro di sodio (NaCl) si dissolve in acqua a causa delle forze attrattive con le molecole d’acqua polari che sopraffanno le forze tra gli ioni positivi del sodio e gli ioni negativi del cloruro, con conseguente dissociazione; il biossido di silicio (SiO2) non si dissolve per essere una struttura covalente gigante in cui i momenti di dipolo si annullano con conseguente non polarità.
Atkins, P., e De Paula, J. (2013). Elementi di chimica fisica. Oxford University Press. Oxford, UK.
Chemguide: http://www.chemguide.co.uk/atoms/structures/giantcov.html
Clayden, J. Greeves, N., Warren, S. (2012). Chimica organica. Oxford University Press. Oxford, UK.
Clugston, M., and Flemming, R. (2015). Chimica avanzata. Oxford University Press. Oxford, UK.
Iperfisica: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/molecule/NaCl.html#c1
Lister, T. e Renshaw, J. (2015). AQA Chimica. Oxford University Press. Oxford, UK.
Weller, M., Overton, T., Rourke, J., e Armstrong, F. (2014). Chimica inorganica. Oxford University Press. Oxford, UK.