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Legami chimici - Legami primari, Legame covalente

chimica

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Legami chimici

Quando si parla di legame chimico ci si intende riferire alla natura delle forze che tengono avvinti fra loro gli atomi di una molecola, un aggregato di molecole o un aggregato di ioni o un aggregato di atomi. Queste forze non sono tutte dello stesso tipo, ma variano da sostanza a sostanza.

Legami primari

Sono i legami tra atomi:

·        Legame covalente puro, polare e dativo

·        Ionico

·        Metallico

Legame covalente

Consiste nel mettere in comune gli elettroni spaiati in modo che ciascun atomo raggiunga una configurazione elettronica stabile, ossia quella dei gas nobili.

Esempio, la formazione della molecola dell'idrogeno:

la struttura elettronica dell'atomo di H è  :   H 1s , ossia ogni atomo possiede un elettrone spaiato nell'orbitale 1s. immaginiamo ora di avvicinare progressivamente due atomi di H.

Essendo  i due nuclei circondati completamente dalla nube elettronica, si avrà dapprima una certa repulsione coulombiana dovuta all'eguaglianza di carica dei due elettroni; ma proseguendo l'avvicinamento queste forze di repulsione vengono vinte dalle forze di attrazione che ogni nucleo esercita nei riguardi  dell'altro elettrone.

Questa attrazione è dovuta al fatto che ogni atomo tende ad avere attorno a sé una configurazione elettronica a 242e42c contenuto energetico basso, ossia stabile [due nuclei invece di uno attirano gli elettroni; il composto è perciò più stabile ed ha meno energia].

Avendo messo in comune i propri elettroni spaiati, ogni atomo di H li possiede entrambi

H  ­¯  H ;          H : H ;            H ¾ H ;        H2 

Legame covalente puro

Il tipo di legame chimico che mette in comune gli elettroni spaiati appartenenti ad atomi uguali o aventi elettronegatività pressoché uguale  è detto legame covalente puro.

Nella molecola di azoto N2

N  1s   ­¯         

     2s   ­¯              

     2p  ­    x        ­    y            ­    z   

Ci sono tre elettroni spaiati situati su tre orbitali p che come sappiamo sono disposti lungo le tre direzioni dello spazio a 90° uno dall'altro.


                                                                              Questa volta sono tre gli accoppiamenti possibili.

                                                                              Dei tre orbitali p dei due atomi di N due si sovrap

                                                                              pongono sullo stesso asse gli altri su assi paralleli

.                                                                             La sovrapposizione sullo stesso asse è maggiore e

                                                                             da legami più forti ( legame s ) quella  su  assi

                                                                             paralleli dà sovrapposizione parziale e legami più

                                                                            deboli ( legame p ). Cioè  essendo  gli orbitali  p

                                                                            direzionati nello spazio si  sovrappongono in modo

                                                                             diverso  In questo modo i due atomi di N risultano

                                                                             legati da tre legami covalenti non uguali fra loro

                                                                            in quanto due di essi sono formati da una messa in

                                                                            comune degli elettroni minore e quindi sono più

                                                                           deboli

Pertanto :

quando due atomi si legano fra loro e mettono in comune più elettroni posti su orbitali direzionati (orbitali p, d, f) si formano due tipi di legami covalenti 1) legame s quando la sovrapposizione degli orbitali avviene lungo l'asse congiungente i loro nuclei (sovrapposizione completa). 2) legame p  quando la sovrapposizione è parziale ossia fatta lungo assi paralleli.

Quindi nella molecola di azoto N2 ci sono un legame covalente s e due legami covalenti p.

La quantità di energia per mole che si sviluppa quando si forma un legame (oppure anche la quantità di energia che si deve fornire per rompere un legame) è chiamata forza di legame .

Legame covalente polare

Anche in questo caso vengono messi in comune elettroni spaiati per raggiungere configurazioni elettroniche più stabili. Occorre però tenere presente l'elettronegatività dei vari atomi

Per elettronegatività si intende la proprietà di ogni atomo di attirare su di sé gli elettroni messi in comune per la formazione di un legame. Il valore dell'elettronegatività aumenta nella tavola periodica degli elementi da destra verso sinistra e dal basso verso l'alto

A causa dell'elettronegatività si determina uno spostamento degli elettroni verso uno dei due nuclei. Si parla perciò di molecola polare, ossia la molecola risulta costituita da una parte positiva(povera di elettroni) e una parte negativa (ricca di elettroni). In termini tecnici si parla di dipolo.

Esempio: nella molecola di HCl entrambi gli atomi possiedono un elettrone spaiato ( H : 1 s1 ; Cl: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2,  3p5 ) che verrà messo in comune. Tenendo però presente la diversa elettronegatività dei due atomi, gli elettroni messi in comune saranno spostati più verso il nucleo dell'atomo di cloro che è più elettronegativo. Si tratta quindi di un legame covalente polare che possiamo schematizzare così :   H(+)          Cl (-)   

I segni (+) e (-) rappresentano la polarità della molecola e indicano con le parentesi che la carica elettrica è parziale e non totale in quanto gli elettroni sono solo spostati verso un atomo ma non trasferiti completamente. La carica parziale si indica anche con il simbolo  d+ e d-

Molecola dell'acqua:

H   1s1                       O   1s2  2s2 2 p4

Due atomi di idrogeno si uniscono ad un atomo di ossigeno. L'elettrone spaiato dell'idrogeno si trova su un orbitale s, pertanto la sovrapposizione è sempre possibile e massima. Per la diversa elettronegatività gli elettroni di legame sono più spostati verso l'ossigeno dando all'ossigeno una carica parziale negativa e agli idrogeni una carica parziale positiva. L'angolo formato tra i due idrogeni e l'ossigeno è di 104 ° , mentre la teoria prevede angoli di 90°; la maggior dimensione dell'angolo si spiega  con l'azione di repulsione dei due idrogeni che portano entrambi carica parziale positiva.

Riassumendo

·        Il legame covalente può essere puro o polare

·        Il legame covalente è il più diffuso in natura

·        Nel covalente puro gli elettroni spaiati si accoppiano in orbitali molecolari; la nube elettronica così formata è uniformemente distribuita attorno ai nuclei.

·        Le molecole formate con legami covalenti puri non sono polari

·        Nel legame covalente polare gli elettroni di legame sono spostati verso l'atomo più elettronegativo; questo legame risulta più forte del covalente puro, perché all'azione legante della nube elettronica si aggiunge la forza elettrostatica dovuta all'attrazione tra la carica parziale positiva e quella negativa della molecola.

·        Le molecole con legami covalenti polari risultano polari.

·        Gli aggregati atomici presentano un punto debole; infatti venendo a contatto con molecole polari essi subiscono attrazioni elettriche sulla loro parte positiva e negativa e si rompono parzialmente o totalmente dando luogo al fenomeno della ionizzazione.(IONIZZAZIONE :sostanze molecolari che a contatto con solventi polari si rompono formando ioni positivi e negativi. DISSOCIAZIONE IONICA: sostanze ioniche in solventi polari liberano ioni già presenti nella sostanza solida). Le molecole formate da legami covalenti puri non si ionizzano in quanto essendo elettricamente equilibrate non danno alcun appiglio alle molecole polari del solvente che non possono esercitare su di esse attrazioni elettriche.

·        Tra le sostanze polari esiste un diverso grado di polarizzazione a seconda della differenza di elettronegatività degli atomi della molecola. Cioè tanto maggiore è la differenza di elettronegatività tra gli atomi, tanto maggiore sarà la polarità della molecola.

Legame dativo

Consiste nella messa in comune di un doppietto di elettroni tra un atomo che può donare elettroni e un altro atomo che disponendo di orbitali vuoti, può accettare questi elettroni. In pratica è un legame covalente , ma gli elettroni messi in comune provengono entrambi dallo stesso atomo. Es. la formazione dello ione ammonio:

                        H                                             H          +

                   H  N   + H+                              H  N  H

                        H                                             H

Lo ione idrogeno H+ ha un orbitale 1s vuoto; l'azoto dell'ammoniaca dispone invece di un doppietto non impegnato nei legami: tra i due è possibile la formazione di un legame dativo

Legame ionico

Esistono in natura sostanze costituite da ioni negativi e ioni positivi (sostanze ioniche). La particolare natura degli ioni induce a pensare che tali aggregati di ioni si tengano avvinti  in virtù di un legame di natura essenzialmente elettrostatica. Tale legame è stato chiamato ionico e avviene tra atomi che hanno una forte tendenza a cedere elettroni ( elevata energia di ionizzazione =  energia necessaria per allontanare un elettrone = atomi della prima colonna nelle tavola periodica) e atomi che hanno forte tendenza ad assumere elettroni ( elevata affinità elettronica = energia che si libera quando un atomo acquista elettroni = elementi della penultima colonna).

·        Il legame ionico interessa aggregati formati da ioni positivi e negativi.

·        Allo stato solido tali ioni sono disposti secondo una struttura ordinata.

·        Unendo con una linea immaginaria i centri dei vari ioni si ottiene un reticolo detto reticolo cristallino.

·        Negli aggregati ionici non esistono molecole ma ioni positivi e negativi reciprocamente incastonati.

·        Il numero di cariche elettriche positive e negative è sempre uguale in modo da assicurare la neutralità elettrica .

·        Il legame ionico è più forte del legame covalente in quanto si stabilisce non fra due atomi, ma tra un insieme di ioni.

·        Allo stato fuso, ricco di energia, l'intensità del legame ionico diminuisce per cui gli ioni possono muoversi e condurre la corrente elettrica. Allo stato solido invece gli ioni rimangono imbrigliati nel reticolo.

·        In presenza di solventi polari il legame ionico si indebolisce fino ad annullarsi, dissociandosi in ioni che rimangono circondati dal solvente (solvatati).

Legame metallico

I metalli si possono considerare  formati da ioni immersi in un gas di elettroni; oppure gli atomi dei metalli mettono in comune i propri elettroni spaiati e i rispettivi orbitali; di conseguenza il legame metallico è da considerarsi come un legame covalente esteso  a tutti gli atomi formanti il metallo stesso. In questo modo si spiegano le principali proprietà dei metalli:

·        Duttilità e malleabilità: dovuta alla possibilità di reciproco scorrimento dei vari piani

·        Conducibilità elettrica: dovuta agli elettroni esterni liberi di passare da un atomo all'altro

·        Conducibilità termica: la somministrazione di energia termica eccita gli elettroni aumentandone l'energia cinetica; essendo essi liberi di vibrare all'interno del metallo, comunicano questa energia in tutte le direzioni.

·        L'alto punto di fusione e di ebollizione va attribuito alla robustezza del legame metallico.

Legami secondari

Sono i legami che tengono unite le molecole e cioè:

·        legame dipolo - dipolo

·         legame dipolo indotto - dipolo indotto o di Wan der Waals

·        legame ione dipolo

·        legame a idrogeno

Legame dipolo - dipolo

Le sostanze polari rispetto a quelle non polari hanno punti di ebollizione più alti, sono più dense ecc. Ciò si spiega  ammettendo l'esistenza di una forza di natura elettrostatica, il legame dipolo - dipolo, capace di legare le molecole polari (in pratica le cariche parziali + e - si attirano fra loro).Esaminiamo ad esempio le molecole dell'acqua. L'acqua è un dipolo perché H e O si legano con legami covalenti polari. Le cariche parziali positive e negative si attirano fra loro formando il legame dipolo dipolo. Ovviamente l'intensità di tale legame varia da sostanza a sostanza a seconda della polarità delle molecole: molecole fortemente polari avranno legami dipolo dipolo più forti.

Legame ione - dipolo

Per legame ione dipolo si intende la forza di natura elettrostatica che si stabilisce tra uno ione e un insieme di molecole polari( es. Na+ , Cl-  con molecole d'acqua). Il numero di molecole polari impegnate nel rivestimento di uno ione , pur essendo imprecisato, è in correlazione diretta con l'intensità della carica elettrica posseduta dallo ione (numero di coordinazione). A seconda del segno della carica dello ione, le molecole polari rivolgono ad esso la loro parte di segno opposto.

Legame dipolo indotto - dipolo indotto o di Wan der Waals

È la debole forza che si stabilisce  fra atomi di molecole che, prive di polarità, manifestano una polarità momentanea acquisita in seguito a temporanei squilibri dei loro elettroni. Ad esempio gli atomi di elio sono perfettamente equilibrati sotto l'aspetto elettrico. Quando questi atomi si muovono, il loro nucleo, avendo massa maggiore della nube elettronica che lo circonda, si sposta continuamente creando delle momentanee cariche positive  lì dove si sposta; si crea cioè istante per istante un piccolo dipolo. Queste cariche elettriche, a loro volta richiamano la parte positiva o negativa di molecole vicine, inducendo la formazione di nuovi dipoli.

Legame a idrogeno

È quella forza di natura elettrostatica che si manifesta tra un atomo di H (già impegnato in un legame covalente polare) ed altri atomi più elettronegativi a lui vicini.(F, O, N, Cl..).

Il legame idrogeno si può manifestare tra molecole (intermolecolare) , sia all'interno di una stessa molecola (intramolecolare es. nel DNA).In pratica la parziale carica positiva che si crea sull'idrogeno impegnato in un legame covalente polare, richiama le nubi elettroniche di atomi vicini. Si forma così un ulteriore legame tra le varie molecole.

Legami chimici.............................................................................................................................................................................. 1

Legami primari........................................................................................................................................................................ 1

Legame covalente................................................................................................................................................................... 1

Legame covalente puro.......................................................................................................................................................... 1

Legame covalente polare....................................................................................................................................................... 2

Legame dativo.......................................................................................................................................................................... 4

Legame ionico......................................................................................................................................................................... 4

Legame metallico.................................................................................................................................................................... 5

Legami secondari.................................................................................................................................................................. 5

Legame dipolo - dipolo......................................................................................................................................................... 5

Legame ione - dipolo............................................................................................................................................................. 6

Legame dipolo indotto - dipolo indotto o di Wan der Waals....................................................................................... 6

Legame a idrogeno................................................................................................................................................................. 6

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