Il legame chimico

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Il legame chimico
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Si chiama legame chimico ciò che tiene unito un
atomo ad un altro e si forma sempre fra almeno
due atomi. Per indicare che due atomi sono
legati, si interpone un trattino fra i loro
simboli (C-C, H-H, ecc). Gli atomi formano legami
chimici per raggiungere una configurazione
elettronica più stabile, generalmente la
configurazione elettronica del gas nobile più
vicino, quindi lottetto. I gas nobili, che già
hanno raggiunto lottetto, non formano legami
chimici.
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Nelle molecole costituite da due atomi (molecole
biatomiche) come, per esempio, la molecola
dellidrogeno H2, un solo legame è sufficiente a
tenere insieme i due atomi.
Atomo di idrogeno (H)
molecola dellidrogeno H2
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Nelle molecole costituite da più atomi (molecole
poliatomiche) il numero di legami è maggiore. Ad
esempio, nella molecola di etano (C2H6)
costituita da otto atomi, ci sono sette legami
uno fra i due atomi di Carbonio e sei fra gli
atomi di Carbonio e Idrogeno.
Atomo di idrogeno (H)
Atomo di carbonio (C)
Molecola delletano (C2H6)
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LEGAME CHIMICO ED ENERGIA Quando formiamo legami
chimici, gli atomi raggiungono una situazione di
maggiore stabilità . Questo significa che
lenergia totale del sistema costituito dai due
atomi legati insieme (a) è minore dellenergia
totale del sistema costituito dai due atomi
separati (b). Quindi, quando si forma un legame
chimico si libera una certa quantità di energia,
mentre se si vuole rompere un legame un legame
chimico è necessario spendere una certa quantità
di energia. È detta energia di legame la quantità
di energia necessaria per rompere una mole di
legami del tipo considerato. Tale energia è
misurata in KJ. mol-1.
(a)
ENERGIA
(b)
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LEGAME IONICO
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Un legame ionico si forma fra atomi che hanno una
forte differenza di elettronegatività (grandezza
introdotta per confrontare rapidamente la forza
con cui ogni atomo tiene legati a sé i suoi
elettroni), cioè la cui differenza dei valori di
elettronegatività è superiore a 1,7.
Quando due atomi si avvicinano (un metallo e un
atomo di un elemento degli ultimi gruppi), gli
elettroni del livello più esterno dellatomo meno
elettronegativo passano allatomo più
elettronegativo. Questultimo diviene quindi uno
ione negativo, mentre laltro atomo diviene uno
ione positivo (uno ione è un atomo, dotato di
carica elettrica). Fra i due ioni con cariche
elettriche opposte si stabilisce unattrazione di
tipo elettrostatico che li tiene uniti
questattrazione costituisce il legame. I
composti contenenti legami ionici sono chiamati
composti ionici (NaCl, MgCl2, ecc).
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• Un esempio di composto ionico è il cloruro di
  sodio (NaCl). Il sodio (Na) appartiene al I
  gruppo e, quindi, ha un solo elettrone (e-)
  esterno la sua elettronegatività è 0.93, un
  valore basso. Il cloro (Cl) appartiene al VII
  gruppo e ha, perciò, sette elettroni esterni la
  sua elettronegatività è 3.16, un valore alto. La
  differenza di elettronegatività (3.16 0.93
  2.23) fra i due elementi supera il valore
  standard di 1.7, quindi fra i loro atomi si forma
  un legame ionico e lelettrone dellatomo di
  sodio passa a quello di cloro.

1 Latomo di sodio perde il suo elettrone
esterno e diventa uno ione positivo 2 Latomo
di cloro acquista lelettrone perduto dal cloro e
diventa ione negativo 3 I due ioni, avendo
cariche elettriche di segno opposto, si attirano
e restano uniti
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Formazione del legame ionico nel cloruro di sodio
(NaCl)
1 Latomo di sodio perde il suo elettrone
esterno e diventa uno ione positivo.
Atomo di sodio (Na)
Na Na e-
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2 Latomo di cloro acquista lelettrone perduto
dal cloro e diventa ione negativo.
Cl e-
Cl-
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3 I due ioni, avendo cariche elettriche di
segno opposto, si attirano e restano uniti.
Atomo di sodio (Na)
Atomo di cloro (Cl)
Na Cl-
NaCl
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Oltre agli ioni formati da un solo atomo esistono
anche ioni negativi molecolari, cioè
raggruppamenti di atomi con una o più cariche
elettriche diffuse su tutto il gruppo. Esempi
comuni sono gli ioni nitrato (NO3-), solfato
(SO42-). Ioni positivi molecolari sono più rari.
Tra questi ritroviamo lo ione ammonio
(NH4). Anche questi ioni possono dare luogo a
composti ionici, comportandosi esattamente come
gli ioni monoatomici. Un esempio è un composto
costituito da ioni calcio e ioni nitrato che ha
formula Ca(NO3)2, dove occorrono due ioni nitrato
per bilanciare le due cariche positive dello ione
calcio.
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CARATTERISTICHE DEI COMPOSTI IONICI
I composti ionici sono tutti solidi a temperatura
ambiente. Hanno in genere punti di fusione
elevati e punti di ebollizione ancora più
elevati, per cui è difficile farli passare allo
stato di vapore. Ciò indica che lattrazione fra
gli ioni è forte, per cui occorre molta energia
per separarli.
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Caratteristiche dei composti ionici allo stato
liquido Quando il composto ionico è allo stato
liquido, ogni ione è circondato da ioni di segni
opposto per le caratteristiche proprie dei
liquidi, gli ioni non sono vincolati a posizioni
fisse, ma possono muoversi attraverso il liquido.
Ciò spiega perché i composti ionici allo stato
liquido sono in grado di condurre corrente
elettrica. Si ha, perciò, un passaggio di
corrente quando delle particelle carche si
muovono. Se nel liquido si immergono due
elettrodi aventi cariche di segno opposto, gli
ioni positivi migrano verso lelettrodo negativo,
mentre gli ioni negativi vanno verso lelettrodo
positivo.
elettrodo negativo (-)
elettrodo positivo ()



Direzione di migrazione degli ioni verso i due
elettrodi immersi in un composto ionico allo
stato fuso.






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LEGAME COVALENTE
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Il legame covalente si forma fra atomi la cui
differenza dei valori di elettronegatività non è
maggiore di 1,7. I due atomi mettono in comune un
elettrone ciascuno. Gli elettroni che vengono
messi in comune sono elettroni spaiati, cioè
elettroni che si trovano isolati in un orbitale.
Quando i due atomi si avvicinano a sufficienza,
avviene una parziale sovrapposizione dei due
orbitali in cui si trovano gli elettroni spaiati
i due orbitali si compenetrano lun laltro per
una certa regione di spazio, che apparterrà
contemporaneamente ad entrambi gli orbitali e di
conseguenza gli elettroni che si trovano in
questi orbitali apparterranno contemporaneamente
ai due atomi. Il legame covalente è il legame
chimico più forte e si distinguono due tipi di
legame covalente 1 - il legame covalente
puro 2 - il legame covalente polare.
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IL LEGAME COVALENTE PURO
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Un legame covalente è detto puro quando si
forma fra atomi con lo stesso valore di
elettronegatività, oppure valori molto vicini. In
questo caso, gli elettroni che vengono messi in
comune fra i due atomi vengono attratti con la
stessa forza da entrambi i nuclei e, perciò,
vengono ad essere condivisi in maniera uguale fra
i due atomi (cè una distribuzione simmetrica
della nube elettronica). Esempi sono la molecola
dellidrogeno (H2) o del cloro (Cl2).
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• IL LEGAME NELLA MOLECOLA DI IDROGENO H2
• Latomo di idrogeno ha solo un elettrone esterno
  e quindi spaiato. Il gas nobile più vicino
  allidrogeno è lelio (He), che ha due elettroni
  nel livello più esterno, cioè ha il primo livello
  energetico completamente occupato. Lidrogeno
  tende a raggiungere la configurazione dellelio,
  cioè a trovare un modo per avere due elettroni
  nel primo livello.
• Se due atomi di idrogeno mettono in comune i loro
  elettroni, ognuno di essi avrà due elettroni, sia
  pure in comune con laltro atomo.

H
H
H
H
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IL LEGAME COVALENTE POLARE
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Un legame covalente polare si forma tra atomi che
hanno elettronegatività diversa, ma non tanto
diversa da rendere possibile la formazione di un
legame ionico (la differenza dei valori di
elettronegatività è sempre minore di 1,7). I due
atomi mettono in comune i loro elettroni spaiati,
tramite la sovrapposizione degli orbitali in cui
si trovano questi elettroni. Tuttavia la coppia
di elettroni non è equamente condivisa fra i due
atomi gli elettroni passano più tempo attorno
allatomo più elettronegativo, rendendolo
parzialmente (non cè un trasferimento completo
di una carica elettrica da un atomo allaltro,
quindi non si formano ioni) negativo, mentre
laltro atomo diviene parzialmente positivo.
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LEGAME NELLA MOLECOLA DI CLORURO DI IDROGENO
(HCl) Sappiamo che latomo di idrogeno ha un
elettrone spaiato nellorbitale 1s e latomo di
cloro ha un elettrone spaiato in uno degli
orbitali 3p. Quando i due atomi si avvicinano,
lorbitale 1s dellatomo di idrogeno e lorbitale
3p dellatomo di cloro si sovrappongono e i due
elettroni spaiati vengono messi in comune. In
questo modo latomo di idrogeno raggiunge la
configurazione del gas nobile più vicino, quindi
lelio (He), e latomo di cloro raggiunge
lottetto. Latomo di cloro, essendo più
elettronegativo dellatomo di idrogeno, attira i
due elettroni di legame più fortemente dellatomo
di idrogeno e così il cloro viene ad avere una
parziale carica negativa, mentre lidrogeno una
parziale carica positiva (la carica parziale è
indicata con d(delta) posto davanti al segno
della carica). La molecola si comporta quindi da
dipolo elettrico, cioè come ununità che ha
cariche di segno opposto alle due estremità. Al
dipolo elettrico si associa una grandezza
vettoriale chiamata momento dipolare (spesso il
dipolo viene rappresentato da un vettore che va
verso lestremità negativa).
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Una molecola biatomica contenente un legame
polare è sempre polare, cioè ha unestremità
positiva e unestremità negativa. Nel caso di
molecole con più di due atomi, la situazione può
essere diversa, e dipende dalla geometria della
molecola e dalla somma vettoriale dei momenti
dipolari associati ai vari legami
polari. Possiamo considerare alcuni esempi -
la molecola dellacqua (H2O) - la molecola del
biossido di carbonio (CO2)
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MOLECOLA DELLACQUA (H2O)Nella molecola
dellacqua i legami O-H formano un angolo di
104,5.Siccome lossigeno è più elettronegativo
dellidrogeno, ciascuno dei due legami O-H è
polare, con latomo di ossigeno parzialmente
negativo e quello dellidrogeno parzialmente
positivo (a). Possiamo considerare con i vettori
i momenti dipolari associati a ciascuno di questi
legami (b). Possiamo anche considerare la somma
dei due vettori (c) e siccome essa non è nulla,
allora la molecola dellacqua è polare.
(b)
(c)
(a)
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MOLECOLA DEL BIOSSIDO DI CARBONIO (CO2) La
molecola del biossido di carbonio (CO2) è
lineare, cioè i tre atomi sono allineati su una
stessa retta, con latomo di carbonio al centro.
Latomo di ossigeno è più elettronegativo
dellatomo di carbonio quindi, i due legami sono
polari (a). Se consideriamo i momenti dipolari
associati ai legami O-C (b), i vettori sono
opposti e la loro somma è nulla, quindi non cè
nessun vettore risultante (c). Pertanto la
molecola del biossido di carbonio non è polare.
Altri esempi sono il trifluoruro di boro (BF3) o
il tetracloruro di carbonio (CCl4).
(a)
(b)
(c)
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Gli atomi possono raggiungere la configurazione
stabile di un gas nobile condividendo anche due o
tre coppie di elettroni. Se gli elettroni
scambiano 4 o 6 elettroni (due o tre coppie di
elettroni), i legami covalenti che intersecano i
due atomi si dicono rispettivamente legame doppio
e legame triplo. Un esempio di doppio legame lo
ritroviamo nel monossido di carbonio (CO).
atomo di carbonio (C)
atomo di ossigeno (O)
monossido di carbonio (CO)
CO
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LA PROMOZIONE DEGLI ELETTRONI Non sempre un
atomo nel suo stato fondamentale possiede
abbastanza elettroni spaiati per poter formare
tutti i legami che gli servirebbero per
raggiungere lottetto. Ciò succede negli atomi
dei gruppi II, III, IV, perché in questi casi
lorbitale s è completamente occupato mentre uno
o più orbitali p sono vuoti. In questi casi
avviene un fenomeno chimico detto, promozione
elettronica, durante la quale un elettrone
dellorbitale di tipo s passa ad un orbitale di
tipo p del livello energetico esterno, per
aumentare il numero di elettroni spaiati
disponibili per la formazione dei legami. La
quantità energetica necessaria per la promozione
dellelettrone è minima, perché la differenza di
energia fra i due sottolivelli s e p di uno
stesso livello energetico non è molto alta. La
maggior stabilità che si ottiene con la
formazione dei legami compensa ulteriormente la
piccola quantità di energia spesa nella
promozione elettronica (che avviene quando
latomo si avvicina agli atomi con cui legarsi).
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Un esempio è il caso del carbonio (C), che allo
stato fondamentale può formare due legami. Allora
come è possibile spiegare il caso del metano
(CH4) dove il carbonio forma quattro legami con i
quattro atomi di idrogeno? Qui avviene una
promozione elettronica nellatomo di carbonio,
attraverso la quale un elettrone dellorbitale 2s
passa allorbitale 2p vuoto, in modo tale da
avere un semiriempimento degli orbitali e quattro
elettroni spaiati che si andranno poi a legare
con gli atomi di idrogeno.
STATO FONDAMENTALE
PROMOZIONE ELETTRONICA
1s
1s
ENERGIA
2s
2s
2p
2p
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È necessario introdurre il concetto di
valenza - per numero di valenza (o elettroni di
valenza) si intende il numero di elettroni
presenti nellultimo livello energetico - per
valenza base, invece, si considera il numero di
elettroni spaiati presenti nellultimo livello
energetico.
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Esistono solidi in cui gli atomi sono legati
luno allaltro da legami covalenti e
costruiscono ununica struttura (dove non si
individuano singole molecole). Un esempio è il
diamante, costituito da carbonio puro. Ogni atomo
di carbonio è legato ad altri quattro atomi di
carbonio, disposti intorno ad esso secondo i
vertici di un tetraedro.
STRUTTURA DEL DIAMANTE
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IL LEGAME DATIVO
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Il legame dativo (o di coordinazione) è un legame
covalente in cui due elettroni di legame
provengono da uno stesso atomo. Quindi, perché
fra due atomi si possa formare un legame dativo,
uno dei due deve avere una coppia di elettroni in
uno stesso orbitale, non impegnata in un nessun
legame, e laltro atomo deve avere un orbitale
vuoto nel quale poter alloggiare questa coppia.
Allora la coppia di elettroni viene messa in
comune fra i due atomi. I due orbitali si
sovrappongono e si forma il legame. Latomo che
fornisce la coppia di elettroni si chiama agente
nucleofilo o donatore, mentre laltro atomo si
chiama agente elettrofilo o accettore.
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Esempi di legame dativo allinterno delle
molecole li ritroviamo negli ossiacidi del cloro
(idrogeno ossigeno cloro) La molecola
del più semplice di essi, lacido ipocloroso
(HClO), contiene due legami covalenti, uno tra
latomo di cloro e quello di ossigeno,laltro tra
latomo di ossigeno e quello di idrogeno In
questa molecola, latomo di cloro ha tre coppie
di elettroni disponibili, cioè non impegnate in
legami. Anche lossigeno ne ha due, ma, essendo
lossigeno un atomo fortemente elettronegativo
tende ad avere il ruolo di accettore. Se un altro
atomo di ossigeno si avvicina alla molecola di
HClO, esso accoppia i suoi due elettroni
spaiati in un unico orbitale, in modo tale da
avere un orbitale vuoto nel quale alloggiare
una delle coppie di elettroni del cloro. Si forma
così il legame dativo tra latomo di ossigeno
(accettore) e latomo di cloro (donatore). La
molecola che risulta è quella dellacido cloroso,
HClO2.
Cl
O
H
O
H
Cl
O
legame dativo
O
H
Cl
34
Il legame dativo si può anche stabilire fra due
molecole, purché in una di esse ci sia un atomo
con una coppia di elettroni disponibile, e
nellaltra ci sia un atomo con un orbitale vuoto.
Le due molecole restano unite e il risultato è
chiamato complesso (o anche composto di
coordinazione). Consideriamo come esempio il caso
del trifluoruro di boro (BF3) e lammoniaca
(NH3). Latomo di boro della molecola
del BF3 ha un orbitale vuoto, mentre latomo di
azoto della molecola dellammoniaca ha una coppia
di elettroni disponibile. Latomo di azoto agisce
da agente nucleofilo e latomo di boro da agente
elettrofilo e la coppia di elettroni dellatomo
di azoto viene messa in comune tra i due atomi.
Si forma il legame dativo e le due molecole
restano unite nel complesso trifluoruro di
boro-ammoniaca.
F
F
H
H
F
B
F
B
N
H
N
H
F
F
H
H
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IL LEGAME METALLICO
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Circa i quattro quinti di tutti gli elementi sono
metalli, che sono tutti solidi tranne il mercurio
(Hg). I metalli hanno bassa energia di
ionizzazione (quantità di energia necessaria per
strappare un elettrone a un atomo neutro) e di
elettronegatività. Quindi i loro elettroni
esterni sono attratti debolmente dai rispettivi
nuclei, e se ne separano facilmente. Ciò avviene
anche quando il metallo si trova allo stato
solido. Nei metalli, le posizioni (o nodi,
occupati dalle particelle) del reticolo
cristallino (schema geometrico creato dalla
disposizione delle particelle che costituiscono
un solido) sono occupate dagli ioni positivi del
metallo. Gli elettroni esterni non rimangono
vincolati ognuno al proprio atomo ma sono liberi
di muoversi per tutto il solido, tenendo insieme
in questo modo il solido stesso. Gli elettroni
esterni sono delocalizzati, cioè non appartengono
ad un atomo specifico, e nemmeno sono condivisi
fra una coppia specifica di atomi, ma possono
trovarsi in qualsiasi zona allinterno del
metallo. Perciò possiamo visualizzare la
struttura del metallo come reticolo cristallino
con i nodi occupati dagli ioni positivi, immerso
in una nube elettronica formata da tutti gli
elettroni esterni. La libertà di movimento degli
elettroni è allorigine delle proprietà dei
metalli
- conducibilità elettrica
-
conducibilità termica
- lucentezza
-
malleabilità e duttilità
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IL LEGAME A IDROGENO
38
Il legame a idrogeno, o a ponte di idrogeno, è un
legame che si forma fra molecole che contengono
un atomo di idrogeno legato ad un altro atomo più
elettronegativo e di piccole dimensioni. Il
legame in queste molecole è covalente polare, con
polarità accentuata latomo di idrogeno è
parzialmente positivo, laltro atomo è
parzialmente negativo. Si stabilisce allora
unattrazione elettrostatica fra latomo di
idrogeno di una molecola e laltro atomo di
unaltra molecola. Gli atomi che sono allo stesso
tempo sufficientemente elettronegativi e piccoli
sono soltanto tre quelli dellazoto,
dellossigeno e del fluoro. Quindi si formano
legami a idrogeno quando un atomo di idrogeno è
legato a uno di questi tre atomi. Quindi come
esempi possiamo analizzare in dettaglio la
molecola dellacqua (H2O) la molecola del
fluoruro di idrogeno (HF)
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LEGAMI A IDROGENO NELLA MOLECOLA DI ACQUA
(H2O) Nella molecola di acqua, latomo di
ossigeno è parzialmente negativo, mentre i due
atomi di idrogeno sono parzialmente positivi.
Quando due molecole di acqua si avvicinano, si
stabilisce unattrazione elettrostatica fra
latomo di ossigeno di una di esse e uno degli
atomi di idrogeno dellaltra. Si forma così un
legame a idrogeno fra le due molecole.
d
d
d-
d-
d
d
40
LEGAMI A IDROGENO NELLA MOLECOLA DI FLUORURO DI
IDROGENO (FCl) Lattrazione elettrostatica si
stabilisce fra latomo di idrogeno di una
molecola e latomo di fluoro di unaltra
molecola. Si formano così catene di molecole di
fluoruro di idrogeno (o acido fluoridrico).
d
d
d
d
d
d-
d-
d-
d-
d-
H
H
F
F
H
F
H
F
H
F
legame a idrogeno