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Legame chimico

 

Descrizione

Si ha un legame chimico quando una forza di natura elettrostatica tiene uniti più atomi in una molecola o in un cristallo (legami forti o intramolecolari) o più molecole in una sostanza allo stato condensato (legami deboli o intermolecolari).

I legami chimici "più forti" hanno un contenuto energetico maggiore e sono più difficili da sciogliere, mentre i legami "più deboli" hanno un contenuto energetico minore e sono più facili da sciogliere. Da ciò deriva che le molecole che hanno al loro interno legami chimici più deboli sono più instabili.

Inoltre tanto più un legame è forte, tanto minore è la lunghezza del legame, essendo la forza che tiene uniti gli atomi maggiore.

 

Natura elettrostatica del legame chimico

La natura del legame chimico si può spiegare facilmente osservando le forze coulombiane interagenti tra le molecole. Prendiamo ad esempio il catione H2+: esso è costituito da due nuclei di H e da un elettrone. Indichiamo con Ha il primo nucleo di idrogeno e con Hb l'altro nucleo di idrogeno. A ciascuno dei due nuclei è associata una funzione d'onda elettronica, rispettivamente 1sa e 1sb, la cui combinazione lineare forma l'orbitale molecolare Ψ.

Ψ avrà valori bassi tra i due nuclei, mentre crescerà avvicinandosi ad essi e poi decrescerà allontanandosi nuovamente da essi. Quindi se si considera un elettrone, ovvero una carica negativa posta tra i due nuclei, esso sarà sottoposto a forze attrattive da parte dei due nuclei che saranno controbilanciate da quelle repulsive fino a quando non si sarà raggiunta la stabilità del sistema; quindi l'elettrone sarà caduto in una buca di potenziale dalla quale gli sarà difficile uscire. In tal modo si è formato un legame chimico.

 

Legami forti

I legami chimici forti sono le forze che tengono uniti gli atomi che formano le molecole.

Un legame forte è attuato dalla condivisione o dal trasferimento di elettroni tra atomi e dall'attrazione elettrostatica tra protoni ed elettroni. Tali legami generano il trasferimento di un numero intero di elettroni, detto ordine di legame, anche se in alcuni sistemi vi sono quantità intermedie di carica, come nel benzene, in cui l'ordine di legame è 1,5 per ogni atomo di carbonio. I legami forti sono generalmente classificati in tre classi, in ordine di polarità crescente:

 

Legame covalente

Il legame covalente (in generale) è il legame che si instaura tra due atomi non metalli (uguali o aventi differenza di elettronegatività, scala di Pauling, compresa tra 0 e 0,4) che mettono in compartecipazione una coppia di elettroni (detti coppia di legame) in un orbitale esterno che abbraccia entrambi gli atomi. Il legame covalente viene rappresentato da un trattino che congiunge i due atomi legati.

 

- Legame covalente puro

Un legame covalente puro (o omopolare) è un legame covalente che s'instaura fra due atomi appartenenti allo stesso elemento. In pratica si stabilisce una interazione (cioè il legame) tra atomi dello stesso tipo: è il caso tipico dell'idrogeno, dell'ossigeno, dell'azoto atmosferico, ecc...

 


 

Essendo la nube elettronica distribuita simmetricamente, il legame risulta non polarizzato.

I legami covalenti che si formano fra due atomi che condividono due coppie di elettroni prendono il nome di doppio legame. I legami covalenti che si formano fra due atomi che condividono tre coppie di elettroni prendono il nome di triplo legame.

Per constatare il numero di legami covalenti formatisi fra due atomi bisogna conoscere la valenza dell'atomo degli elementi considerati e dopo aver fatto questo scoprire quanti elettroni gli mancano per essere stabili (regola dell'ottetto).

es. N = azoto; V gruppo = 5 elettroni di valenza ( + 3 elettroni per completare l'ottetto)

I legami fra due azoti sono un triplo legame.

 

Qui a fianco vediamo ciò che accade all'interno della molecola di cloro. Ogni atomo condivide un elettrone con l'altro, creando una coppia di elettroni condivisa che terrà uniti i due atomi finché qualche forza esterna non li separerà.

I composti covalenti hanno, di solito, forma ridotta e sono caratterizzati da una precisa formula che, in questo caso rappresenta gli atomi costituenti e il loro numero. L'ammoniaca NH3 è formata da un atomo di azoto e da tre atomi di idrogeno.

 

- Legame covalente polare

Il legame covalente polare si instaura tra due atomi con differenza di elettronegatività compresa tra 0,4 e 1,9. In questo caso, gli elettroni coinvolti nel legame risulteranno maggiormente attratti dall'atomo più elettronegativo, il legame risulterà quindi polarizzato elettricamente, cioè ognuno degli atomi coinvolti nel legame presenterà una carica elettrica parziale.

 

 

Quando una molecola è tenuta coesa da soli legami covalenti puri o possiede una simmetria tale da annullare reciprocamente le polarità dei suoi legami covalenti risulterà complessivamente apolare. Invece una molecola costituita da due atomi legati fra loro da un legame covalente polare è polare (o dipolo elettrico); ciò non significa, in genere, però che la molecola abbia una carica elettrica perché nella sua totalità essa è elettricamente neutra. Si può prevedere facilmente la struttura polare di una molecola nel caso essa sia biatomica.

 

Legame di coordinazione

È un tipo particolare di legame covalente detto, in passato, dativo in quanto i due elettroni coinvolti nel legame provengono da uno solo dei due atomi detto donatore (in sostanza tale atomo "dona" gli ioni presenti sull'orbitale più esterno, cioè entrambi gli elettroni appaiati presenti in un suo orbitale), mentre l'altro, che deve essere in grado di mettere a disposizione un orbitale esterno vuoto (cioè con due posti vuoti che possono essere occupati da due elettroni) oppure di riorganizzare la sua configurazione elettronica per accogliere la coppia di elettroni (cioè ad esempio spostare due elettroni presenti su di un orbitale dispari su di un altro orbitale dispari, liberando di fatto un orbitale) viene detto accettore. Il legame dativo può essere rappresentato con una freccia, dal donatore all'accettore, o più impropriamente può essere indicato con un doppio trattino.

 

Legami delocalizzati e legame metallico

Alcuni legami covalenti, detti delocalizzati, possono legare insieme tre o più atomi contemporaneamente, come nei borani e nei composti aromatici.

- Legame metallico

La forma più estrema di delocalizzazione del legame covalente si ha nel legame metallico. Secondo questo modello un metallo può essere rappresentato come un reticolo cristallino di ioni positivi tenuti uniti da una nube di elettroni condivisi estesa a tutto il reticolo; essendo tali elettroni non legati a nessun atomo particolare, risultano essere estremamente mobili; tale mobilità è responsabile della elevata conducibilità elettrica dei metalli.

 

Legame ionico

Il legame ionico è un legame tra ioni di segno opposto. Tali ioni si formano da atomi aventi differenza di elettronegatività superiore al limite convenzionale di 1,9: in queste condizioni, l'atomo più elettronegativo priva l'altro di un elettrone: il primo atomo diventa uno ione con carica negativa, il secondo uno ione con carica positiva.


L'elettrone del sodio viene catturato dal cloro; il sodio diventa uno ione positivo e il cloro diventa uno ione negativo. Tra i due ioni si stabilisce un'attrazione elettrostatica che terrà legati i due atomi nel nuovo composto, il cloruro di sodio. 
La struttura macroscopica del cloruro di sodio, a cristalli di forma cubica, dipende dalla posizione che gli ioni sodio e cloro occupano nello spazio.

Le proprietà dei composti ionici sono legate al modo con cui gli ioni si legano.
I composti ionici sono solidi a temperatura ambiente, molto resistenti alla compressione ma non alla trazione. Non sono conduttori di elettricità in quanto le cariche elettriche (gli ioni) sono bloccati nel reticolo cristallino. Ma se vengono sciolti in acqua, liberano gli ioni e la soluzione diventa conduttrice (viene chiamata soluzione elettrolitica ogni soluzione in cui siano sciolti dei sali).

I composti ionici non hanno una molecola vera e propria; la loro forma dipende dal numero degli ioni che si sono uniti. La formula con la quale si rappresentano indica il rapporto minimo che si registra tra gli ioni. Il cloruro di sodio (NaCl) è formato da ioni sodio e cloro in rapporto 1:1, mentre il cloruro di magnesio (MgCl2) è costituito da ioni magnesio e cloro nel rapporto 1:2.

Questo legame è di natura prettamente elettrostatica; l'arrangiamento degli atomi nello spazio non ha la direzionalità del legame covalente: il campo elettrico generato da ciascuno ione si diffonde simmetricamente nello spazio attorno ad esso.

 

Legami deboli (legami chimici secondari)

I dipoli molecolari possono originare delle forze di attrazione intermolecolari.

I legami intermolecolari sono essenzialmente costituiti dalla reciproca attrazione tra dipoli statici  (è il caso delle molecole polari) o tra dipoli ed ioni (è il caso, ad esempio, di un sale che si scioglie in acqua).

Nel caso dei gas nobili o di composti formati da molecole apolari la possibilità di liquefare viene spiegata tramite la formazione casuale di un dipolo temporaneo quando gli elettroni, nel loro orbitare, si trovino casualmente concentrati su un lato della molecola; tale dipolo induce nelle molecole vicine a sé uno squilibrio di carica elettrica (il cosiddetto dipolo indotto) che genera reciproca attrazione e provoca la condensazione del gas. Il legame viene quindi prodotto da queste particolari forze di attrazione dette forze di dispersione o di Van der Waals.

Un caso particolare di legame intermolecolare, che può anche essere intramolecolare quando la geometria della molecola lo consente, è il legame idrogeno.

Un atomo di idrogeno legato ad un atomo di ossigeno (o di fluoro), a causa della sua polarizzazione positiva e delle sue ridotte dimensioni, attrae con un'intensità relativamente elevata gli atomi di ossigeno (e di fluoro e, in misura minore, di azoto) vicini. Tale legame, benché debole, è responsabile della conformazione spaziale delle proteine e degli acidi nucleici, conformazione da cui dipende l'attività biologica dei composti stessi.

Come ordine di grandezza, l'entità delle varie forze di legame può essere indicato dalla seguente tabella:

 

 

Forza relativa

Legame ionico

1000

Interazioni dipolari e Legame idrogeno

10 - 100

Forza di van der Waals

1

 

 

Voci correlate

Scienza;

Scienze naturali;

Fisica;

Particella;

Energia;

 

Tratto da Wikipedia, elaborato e modificato.

 

 

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