I legami chimici

CAPITOLO 5
I legami chimici
Grazie ai legami chimici gli 89 atomi diversi in natura possono formare tutte le sostanze. Il legame si forma se
l’insieme di atomi che ne risulta ha un’energia minore degli atomi separati. Se l’energia potenziale dei due
atomi diminuisce i due atomi si uniscono, se aumenta il tentativo di unione fallisce. Nella formazione di legami
si libera energia; se si vuole rompere tale legame occorre spendere energia. Tale energia è detta energia di
legame ed è misurata in kj/mol o kcal/mol o eV(elettronvolt). In un legame solo gli elettroni più esterni
partecipano all’operazione. Gli elettroni dello strato più esterno vengono detti elettroni di valenza. Gli elementi
che si trovano nell’VIII gruppo e hanno 8 elettroni di valenza sono detti gas nobili (apparte l’elio che ne ha 2
ma si trova lo stesso nell’VIII gruppo). Gli studiosi capirono che il numero 8 indica la stabilità dell’atomo;
pertanto gli altri atomi formano legami chimici per raggiungere questo stato. Quando indichiamo come sono
messi gli elettroni negli orbitali potremmo chiamare singoletto un orbitale che contiene un solo elettrone e
doppietto uno che ne contiene due. Un doppietto che non interviene in un legame è detto lone pair.
Un esempio di legame chimico è il legame covalente, ovvero quando due atomi condividono una coppia di
elettroni; un legame covalente può essere scritto con i simboli di Lewis o con un trattino che sta a segnare
quante coppie di elettroni sono condivise: H – H Cl = Cl H – O – H. La valenza è il numero di elettroni che un
atomo guadagna, perde o mette in comune quando si lega con gli altri atomi. Gli elementi dal I al IV gruppo
tendono ad assumere la configurazione del gas nobile che li precede; quelli del V VI e VII gruppo tentano di
assumere quella del gas nobile che li segue. Se 2 atomi condividono un solo elettrone avremo un legame
singolo, se condividono 2 elettroni avremo un legame covalente doppio, se ne condividono 3 un legame
covalente triplo. Un legame triplo avrà un’energia di legame maggiore di un legame doppio che a sua volta avrà
un energia maggiore di un legame singolo. Un particolare tipo di legame covalente è quello dativo, dove un
solo atomo condivide una coppia di elettroni. Se il risultato di un legame dativo è uno ione (ovvero che la
molecola ha un diverso numero di elettroni e di protoni) il legame dativo si chiamerà legame di coordinazione.
Quando l’accettore di elettroni è un metallo circondato da un numero di ioni negativi si forma un complesso o
composto di coordinazione. Le molecole che circondano il metallo si chiamano leganti, mentre il metallo
centrale è detto coordinante.
Due atomi identici uniti da legami covalenti esercitano la stessa forza di attrazione sulla coppia di elettroni di
legame. Pertanto il legame sarà covalente puro o omopolare. Se ci sono due atomi differenti occorre prendere
in considerazione l’elettronegatività, che misura la forza di attrazione di un atomo sugli elettroni di legame. Se
la differenza tra i valori di elettronegatività è minore di 0,4 avremo un legame covalente puro; se compresa tra
0,4 e 1,9 avremo un legame covalente polare: ovvero gli elettroni di legame tenderanno a stare maggiormente
attorno all’atomo con maggiore elettronegatività, e si formerà tra i due atomi un dipolo ovvero una separazione
di cariche. Se la differenza sarà maggiore di 1,9 avremo un legame ionico: dove l’atomo che ha un
elettronegatività minore cede l’elettrone all’altro atomo diventando uno ione positivo e l’altro atomo diventa
uno ione negativo. I due atomi rimangono uniti a causa dell’attrazione elettrostatica poiché hanno cariche
opposte. La valenza ionica rappresenta il numero di elettroni perduti o acquistati dall’atomo. I composti ionici
formano cristalli con una struttura solida e ordinata: per esempio ogni atomo di Cl o Na nel cloruro di sodio
NaCl si circonda di 6 atomi dell’altro elemento. I composti ionici hanno anche un elevato punto di fusione.
Un altro tipo di legame è quello metallico dove ogni metallo che compone il legame mette in comune gli
elettroni più esterni formando una nube esterna dove si muovono questi elettroni che passano liberamente da
un atomo all’altro; in questo modo sono tenuti assieme anche gli ioni positivi: Questa mobilità degli elettroni
conferisce ai metalli le loro caratteristiche come la conducibilità elettrica e termica, la duttilità e la malleabilità.
I metalli fra loro formano legami metallici; i non metalli legami covalenti; i metalli e non metallici uniscono
mediante legami ionici.
Secondo la teoria del legame di valenza quando si forma un legame covalente gli orbitali semipieni che
intervengono danno origine ad un nuovo orbitale detto orbitale molecolare che permette agli elettroni di
appartenere a ciascun atomo.
Se la sovrapposizione di due orbitali è frontale, avviene cioè lungo
l'asse che congiunge i due nuclei, il legame che si forma prende
il nome di legame σ (sigma). Si tratta di un legame particolarmente
solido. Se la sovrapposizione fra due orbitali è
laterale, avviene cioè fianco a fianco, si genera
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il legame π (pi greca). Questo legame è più debole del
precedente e si forma solo per sovrapposizione di due orbitali
di tipo p. E' regola generale che quando due atomi sono legati
fra loro da un legame multiplo, uno solo di questi legami è di
tipo σ, mentre gli altri sono tutti di tipo π. Nei legami di tipo
π troviamo un piano che attraversa i due nuclei dove è nulla
la possibilità di trovare gli elettroni. Questo è detto piano
nodale.
In alcuni casi come quello del carbonio gli orbitali tendono a ibridarsi, ovvero a mescolarsi e creare orbitali
nuovi e con lo stesso livello di energia per poter formare più legami chimici allo stesso livello di energia. Nel
carbonio troviamo nello strato più esterno due elettroni nel 2s e due elettroni nel 2p; in questo caso il carbonio
potrebbe formare solo 2 legami accoppiando i singoletti. Però avviene per prima cosa la promozione, ovvero
l’atomo eccitato fa passare un elettrone del 2s nel 2p formando 4 singoletti; rimane comunque il problema
dell’energia poiché il singoletto 2s ha un livello di energia più basso rispetto ai 2p. Perciò avviene
l’ibridazione, ovvero la mescolanza degli orbitali s con quelli p che formano 4 orbitali sp³ che hanno lo stesso
livello di energia e il carbonio può fare 4 legami come nel caso del metano. Questi nuovi orbitali hanno per ¼
caratteristiche dell’orbitale s e per ¾ le caratteristiche dell’orbitale p. Può avvenire in alcuni casi che 1 o 2
orbitali p non intervengano nell’ibridazione e rimangono singoletti con un livello di energia diverso. Nel caso in
cui 1 orbitale p rimanga inalterato avremo 3 orbitali sp² poiché formati da 1 orbitale s e da 2 orbitali p. Nel caso
in cui 2 orbitali p rimangano inalterati avremo 2 orbitali sp poiché formati da 1 orbitale s e da 1 orbitale p. Gli
orbitali sp formano sempre legami σ, mentre gli orbitali p inalterati formano legami π. Geometricamente se
abbiamo solo 2 orbitali sp essi si disporranno in modo lineare formando tra di loro un angolo di 180°. Se
abbiamo 3 orbitali sp² si disporranno in modo triangolare piano formando tra di loro 3 angoli da 120°. Se
abbiamo 4 orbitale sp³ essi si disporranno in modo tetraedrico e quindi non più piano, ma solido formando
angoli di 109,5°
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