Legame chimico

Da TecnoLogica.

Versione delle 09:13, 5 mar 2024

Insieme di forze, di natura elettromagnetica, che agiscono sugli atomi per unirli in due, tre o più, formando così le sostanza (chimica) sostanze. I legami sono stabili se il prodotto finale ha un’energia più bassa della somma delle singole energie associate ai singoli atomi che lo compongono.

Descrizione

Utilizzando un modello notevolmente semplificato, un atomo può essere immaginato come formato da un nucleo intorno al quale orbitano un certo numero di elettroni. Dato che gli elettroni possiedono una carica elettrica negativa, e visto che gli atomi sono elettricamente neutri, si conclude che all’interno del nucleo siano presenti delle particelle positive in grado di bilanciarne la carica: i protoni.

Gli elettroni si dispongono in livelli via via sempre più lontani dal nucleo, ed ognuno di essi può contenere solo un numero definito di particelle; un atomo con un elevato numero atomico (pari al numero di elettroni che possiede) deve quindi avere anche un adeguato numero di livelli. Ogni livello è poi suddiviso in un determinato numero di orbitali, ognuno dei quali può ospitare al massimo una coppia di elettroni: anche tali orbitali sono disposti a strati via via più distanti dal nucleo; gli elettroni riempiono sempre gli orbitali più interni per essere più possibile vicini al nucleo.

Normalmente gli atomi, se messi nelle giuste condizioni, si combinano tra loro per dare luogo a diverse sostanza; alcuni di essi, invece, non hanno questa tendenza, anzi non reagiscono e restano inerti. Questi atomi hanno tutti la particolarità di ospitare nell’ultimo orbitale otto elettroni, ad esclusione dell’elio che ne ha soltanto due. Tale osservazione ha portato alla formulazione di una regola empirica, detta regola dell’ottetto secondo la quale un atomo raggiunge una particolare stabilità energetica se il suo livello più esterno è maggiore occupato da otto elettroni, anche se questo comporta uno squilibrio tra le cariche positive contenute nel nucleo (il cui numero non varia mai) e quelle negative.
Quando due o più atomi sono sufficientemente vicini (prossimità) e viene fornita loro la giusta quantità di energia (energia di attivazione), possono cedere/acquisire elettroni fino a raggiungere l’ottetto nel livello esterno.

La possibilità che due o più atomi possano cedere e acquisire reciprocamente elettroni dipende da diversi fattori, ma in generale gli elementi posti sulla sinistra della tavola periodica (gruppi I e II) tendono a cedere elettroni, caricandosi positivamente, mentre quelli a destra (gruppi VI e VII) li acquisiscono, caricandosi negativamente.

Più precisamente, la capacità di un atomo di attirare a sé un elettrone è detta elettronegatività (indicata con la lettera greca χ), e può essere stimata con diversi metodi; il più utilizzato è la scala di Pauling che assegna il valore massimo al fluoro (χ = 4), quello minimo al francio (χ = 0,7) e convenzionalmente quello nullo (χ = 0) a tutti gli elementi del gruppo VIII (gas nobili). Maggiore è la differenza tra le elettronegatività tra due atomi, più elevata è la possibilità che uno o più elettroni si allontanino dall’atomo con il valore di χ più basso per migrare verso quello con il valore più alto. Gli atomi che pongono elettroni in condivisione non sono più liberi di allontanarsi reciprocamente, e per tale motivo si dice che essi sono impegnati in un legame chimico; la natura di tale legame dipende soprattutto dalla differenza di elettronegatvità, e si distingue in:

• legame covalente;
• legame ionico;
• legame metallico.

Ad essi si aggiungono i legami intermolecolari, che si sviluppano appunto tra molecole, cioè gruppi di atomi tra loro uniti da legami covalenti.

Ad esclusione dei gas nobili, tutti gli atomi tendono a combinarsi tra loro per soddisfare la regola dell’ottetto generando delle sostanze che sono dette:

• elementi, se gli atomi sono tutti uguali (hanno cioè lo stesso numero atomico);
• composti, se c’è almeno un atomo diverso dagli altri.
  

Le combinazioni sono molto numerose in quanto ci sono molte possibili eventualità: un atomo che condivide più di un elettrone può legarsi con uno o più atomi, che a loro volta possono essere già impegnati in altri legami; inoltre alcuni atomi in alcune condizioni possono variare il numero di elettroni da porre in condivisione.
Nella tavola periodica accanto al simbolo di ogni atomo si trovano i suoi numeri di ossidazione, cioè il numero di elettroni che l’atomo cede (numeri positivi) o acquista (numeri negativi) nei legami chimici; i gas nobili sono caratterizzati da numero di ossidazione pari a zero.

Legame covalente

È un legame che si forma tra atomi che hanno un elevato valore di elettronegatività (non metalli, posti sulla destra della tavola periodica), la cui differenza non supera il valore di 1,9.
Si distingue nel legame covalente puro se unisce due atomi aventi lo stesso numero atomico, e legame covalente polare altrimenti.
I legami covalenti danno origine alle molecole che sono appunto un gruppo di atomi tra loro connessi da legami covalenti in modo che ognuno di essi soddisfi la regola dell’ottetto. I composti per tale motivo vengono detti molecolari

Legame covalente puro

Due atomi uguali, caratterizzati da un elevato valore di elettronegatività (gruppi VI e VII) vengono interessati da un legame covalente puro nel quale gli elettroni di valenza cominciano ad orbitare intorno ad entrambi i nuclei. Nell’atomo di fluoro, il cui numero di ossidazione è -1, manca solo un elettrone a completare l’ottetto in quanto nel livello più esterno sono presenti sette elettroni, di cui sei disposti a coppia in ogni orbitale, ed uno in un orbitale da solo. Venendo a contatto con un altro atomo di fluoro, gli elettroni solitari formano una coppia che si muove in un orbitale comune ai due atomi, completando così l’ottetto. Questo viene detto legame covalente semplice.

L’atomo di ossigeno ha invece numero di ossidazione pari a -2, e nel livello più esterno sono presenti sei elettroni suddivisi in tre coppie. Venendo a contatto con un altro atomo di ossigeno, ognuno di essi condividerà una coppia di elettroni, che orbiteranno intorno ad entrambi i nuclei. Si forma così un legame covalente doppio.

Un atomo di azoto, che ha -3 tra i suoi numeri di ossidazione e il cui livello esterno ospita cinque elettroni, metterà in condivisione una coppia più l’elettrone singolo; si otterrà quindi un legame covalente triplo.

Legame covalente polare

Due atomi differenti, entrambi con elevata elettronegatività, possono condividere uno o più elettroni allo scopo di soddisfare la regola dell’ottetto formando un legame covalente polare.
Nel caso dell’acido cloridrico, ad esempio, un atomo di idrogeno ed uno di cloro pongono in condivisione un elettrone, ed in particolare l’unico elettrone dell’idrogeno e l’elettrone “solitario” del cloro formano una coppia che orbita intorno ad entrambi i nuclei. Dato però che il cloro ha elettronegatività più elevata, la coppia tenderà ad orbitare maggiormente intorno al suo nucleo, lasciando parzialmente “scoperto” il nucleo dell’idrogeno. Si formerà così un dipolo, cioè una molecola nella quale il lato occupato dal nucleo di idrogeno avrà una carica elettrica parzialmente negativa (indicata con δ⁺), e quella occupata dal nucleo di cloro avrà carica parzialmente negativa (indicata con δ^–).

Legame covalente dativo

In alcuni casi il legame covalente vede un atomo mettere in condivisione una coppia di elettroni, mentre l’altro riceve la coppia senza condividere nessuno dei suoi elettroni. Io stato finale degli atomi è quello di un legame covalente: una coppia di elettroni orbita intorno ad entrambi i nuclei, spostandosi più verso quello ad elettronegatività maggiore. Il legame dativo è quindi un legame covalente nel quale un atomo datore mette in condivisione una coppia di elettroni con un secondo atomo accettatore.
Il legame dativo si forma quando la configurazione elettronica esterna (cioè la disposizione degli elettroni nei livelli esterni) degli atomi è in una particolare condizione. Ad esempio, gli atomi di ossigeno e di zolfo hanno la stessa configurazione elettronica: sei elettroni nel livello esterno, di cui quattro raccolti in due coppie, e due spaiati. Reagendo insieme, formano immediatamente un legame polare doppio, condividendo gli elettroni spaiati formando così un composto S=O, che rispetta la regola dell’ottetto. Quando questa coppia di atomi giunge a contatto con un altro atomo di ossigeno, quest’ultimo modifica la sua configurazione elettronica esterna, appaiando gli elettroni solitari e liberando un orbitale; a questo punto lo zolfo condivide una propria coppia di elettroni con quest’atomo, permettendogli di completare l’ottetto. Si forma così un nuovo composto O↤S=O, detto anidride solforosa; il dispendio di energia necessario a modificare la configurazione elettronica dell’ossigeno è compensata dalla minore energia totale del composto che si ottiene.
Il fenomeno può ripetersi anche con un terzo atomo di ossigeno

Nel caso dello zolfo e dell’ossigeno, ad esempio, si ha la stessa configurazione di sei elettroni nel livello esterno, di cui quattro raccolti in due coppie, e due solitari (entrambi infatti sono nello stesso gruppo della tavola periodica). Piuttosto che formare un legame covalente polare doppio, che si otterrebbe con la condivisione degli elettroni solitari da parte di entrambi gli atomi, si osserva invece la formazione di anidride solforosa (SO₂) e anidride solforica (SO₃).
Si ipotizza che un atomo di ossigeno si leghi a quello di zolfo proprio con un legame covalente doppio, formando temporaneamente un composto SO, ma che un secondo atomo di ossigeno modifichi la propria configurazione elettronica esterna accoppiando gli elettroni solitari liberando così un orbitale, con il quale ora può accettare una coppia di elettroni dell’atomi di zolfo. In altre parole, l’atomo di zolfo forma un legame covalente doppio con un atomo di ossigeno, completando gli ottetti di entrambi, e un legame dativo con un secondo atomo di ossigeno, completando l’ottetto di quest’ultimo; il composto che si ottiene è l’anidride solforosa.
Il processo può anche ripetersi con un terzo atomo di ossigeno, anch’esso in grado di accettare l’altra coppia disponibile dello zolfo, formando un secondo legame dativo che dà origine all’anidride solforica.

Legame ionico

È un legame che si forma quando due atomi hanno una differenza di elettronegatività superiore a 1,9. In tal caso l’atomo a elettronegatività più bassa, allo scopo di ottenere un ottetto nella sua configurazione elettronica esterna, cede uno o più elettroni; questi andranno a completare l’ottetto nell’atomo a elettronegatività maggiore. A causa del trasferimento, il primo atomo avrà un eccesso di cariche positive (il numero di protoni nel nucleo è superiore a quello degli elettroni), e pertanto viene detto ione positivo o catione; il secondo invece avrà un eccesso di cariche negative, e viene quindi detto ione negativo o anione. Perché il processo abbia inizio, è necessario fornire una quantità di energia per permettere all’elettrone del catione di abbandonare il nucleo: tale quantità varia da atomo ad atomo, ed è detta energia di prima ionizzazione; occorre poi fornire una seconda quantità di energia, più elevata, per consentire l’allontanamento di un altro elettrone, detta energia di seconda ionizzazione, e così via.
Anione e catione sono soggetti ai reciproci campi elettromagnetici che li attraggono; si forma così un composto nel quale, se allo stato solido, ogni anione è circondato da cationi, e - naturalmente - ogni catione è circondato da anioni. Questa struttura ordinata, che teoricamente può ripetersi all’infinito, è detta reticolo cristallino; in relazione alla disposizione spaziale degli ioni, è caratterizzata dal numero di coordinazione di anioni e cationi. In particolare, il numero di coordinazione dell’anione corrisponde al numero di cationi che lo circonda; allo stesso modo il numero di coordinazione del catione indica il numero di anioni ad esso legati.

Legame metallico

I metalli, atomi caratterizzati da bassi valori di elettronegatività, quando formano elementi - cioè sostanze composte da atomi identici - non sono soggetti a legami covalenti puri (come avviene per atomi ad alta elettronegatività), ma formano uno speciale legame detto metallico. Gli atomi perdono tutti gli elettroni di valenza, trasformandosi in cationi; questi si dispongono nei nodi di un reticolo cristallino, i cui spazi residui vengono occupati dagli elettroni di valenza, che sono liberi di scorrere all’interno della sostanza. In altri termini, i cationi sono immersi in un mare di elettroni; questo permette ai metalli di avere particolari caratteristiche tecniche, quali la conducibilità elettrica, la duttilità e la malleabilità.

Legami intermolecolari

(Da compilare)

Voci correlate

• Atomo
• Carica elettrica
• Composto
• Elettrone
• Molecola
• Protone
• Sostanza (chimica)

Note