I legami chimici. Perché si formano i legami? Perché si formano i legami? 16/01/2019. Come e perché gli atomi si legano tra loro

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1 I legami chimici Come e perché gli atomi si legano tra loro Perché si formano i legami? In natura, se non in casi eccezionali, non si trovano atomi liberi. Per separare due atomi legati è necessario fornire energia. Gli atomi così separati immediatamente tendono a riunirsi di nuovo. Nella formazione di un legame si libera energia. Perché si formano i legami? Di conseguenza la formazione di legami tra tomi è un evento spontaneo. Gli atomi legati possiedono complessivamente meno energia di quando sono liberi. 1

2 L energia di legame È la quantità di energia che è necessario fornire a una mole di sostanza per rompere il legame fra i suoi atomi. Tanto maggiore è l energia di legame, tanto più è forte il legame tra gli atomi e tanto più è stabile il composto. Gli atomi si legano perché così sono più stabili La lunghezza di legame La distanza a cui gli atomi si dispongono quando formano un legame non è casuale: dipende dalla somma delle forze attrattive e repulsive che agiscono. A questa distanza si dà il nome di lunghezza di legame. Dopo che si è formato il legame la molecola è stabile, come si nota osservando la curva della sua energia potenziale: occorre energia sia per aumentare sia per diminuire tale distanza. La lunghezza di legame La lunghezza di legame è misurabile sperimentalmente. Essa varia in ragione del tipo di atomi e della forza del legame: aumenta, infatti, all aumentare delle dimensioni atomiche e al diminuire della forza del legame. 2

3 Le teorie di legame Ma perché gli atomi legati perdono energia? A che cosa è dovuta la loro maggiore stabilità? Per rispondere a queste domande sono state formulate diverse ipotesi, che prendono il nome di teorie di legame. La prima di queste teorie fu formulata nel 1916 da Gilbert Lewis. La teoria di Lewis Lewis partì dall osservazione che solo i gas nobili non formano legami. Pensò allora che il motivo della loro stabilità risiedesse nel fatto che la loro configurazione elettronica termina il livello energetico esterno. Poiché ogni livello energetico si completa con otto elettroni (due nel caso dell elio), la teoria di Lewis è detta teoria dell ottetto. La teoria di Lewis Alla configurazione elettronica con 8 elettroni nel livello energetico esterno corrisponde quindi una particolare stabilità. 3

4 La teoria di Lewis Ma gli atomi come possono fare per raggiungere questa stabilità? Secondo Lewis un atomo la raggiunge acquistando, cedendo o condividendo elettroni con un altro atomo. Tutto ciò conduce ad un legame tra gli atomi interessati. Quando due atomi condividono una coppia di elettroni si forma un legame covalente. Gli elettroni, attratti dai nuclei positivi, appartengono ad entrambi gli atomi. È questa forza attrattiva che fa unire gli atomi e determina la liberazione di una quantità di energia pari all energia di legame. La molecola risulta quindi più stabile rispetto ai due atomi separati. Se gli atomi che condividono gli elettroni esercitano su questi una forza di attrazione identica, il legame è detto covalente puro. Se invece gli atomi esercitano una forza di attrazione diversa allora si parla di legame covalente polare 4

5 Nel legame covalente puro gli elettroni di legame sono equamente condivisi. Nel legame covalente polare invece gli elettroni non sono equamente condivisi. L atomo che li attrae maggiormente acquista una parziale carica negativa δ. L altro atomo acquista di conseguenza una parziale carica positiva δ +. può essere: singolo: se è condivisa una sola coppia di elettroni doppio: se sono condivise due coppie di elettroni triplo: se sono condivise tre coppie di elettroni I legami covalenti possono essere rappresentati attraverso la simbologia di Lewis: 5

6 Il legame ionico Se un atomo riesce a strappare elettroni ad un altro si forma uno ione negativo e uno ione positivo. Gli ioni sono stabili perché quello negativo, acquistando elettroni, assume la configurazione elettronica esterna del gas nobile che lo segue, mentre quello positivo, perdendo elettroni, assume quella del gas nobile che lo precede. I due ioni si attraggono per forza elettrostatica formando un legame ionico. Il legame ionico All inizio è necessario fornire energia, necessaria a ionizzare gli atomi. Successivamente, però, l aggregazione degli ioni di segno opposto nel cristallo comporta la liberazione di energia. Complessivamente viene liberata più energia di quella fornita all inizio. Il legame ionico La formula dei composti ionici non indica una molecola di composto perché è impossibile distinguere nel cristallo le unità molecolari. Essa indica soltanto il rapporto di combinazione tra gli ioni positivi e negativi affinché esso risulti elettricamente neutro. I reticoli ionici, caratterizzati da intense forze attrattive tra uno ione e l altro, sono responsabili anche dell elevato punto di fusione di questi composti perché queste forze si oppongono all allontanamento degli ioni. 6

7 L elettronegatività L elettronegatività è la tendenza di un atomo ad attirare gli elettroni: atomi più elettronegativi li attirano maggiormente di quelli meno elettronegativi. L elettronegatività è una proprietà periodica: aumenta lungo i periodi e diminuisce lungo i gruppi. L elettronegatività Attraverso l elettronegatività si può dunque riconoscere se tra due atomi c è condivisione o scambio di elettroni. Tanto maggiore è la differenza di elettronegatività ( e) fra due atomi, tanto più è polarizzato il legame che li unisce. L elettronegatività e < 0,2 il legame è covalente puro 0,2 < e < 1,9 il legame è covalente polare e > 2 il legame è ionico Va tenuto comunque presente che tali limiti sono indicativi, perché il carattere ionico di un legame aumenta con gradualità all aumentare della differenza di elettronegatività. 7

8 dativo Si forma quando la coppia di elettroni di legame è fornita da uno solo dei due atomi che vi partecipano. L atomo che dona gli elettroni si dice donatore, quello che li riceve prende il nome di accettore. Perché si abbia un legame covalente dativo è necessario che l atomo donatore abbia già raggiunto l ottetto attraverso la condivisione di altri elettroni. dativo Il legame dativo viene spesso rappresentato con una freccia ( ), anziché con una linea. L atomo di cloro ha raggiunto l ottetto formando un legame covalente con un atomo di ossigeno. Ma esso possiede altre tre coppie di elettroni non condivise e può quindi comportarsi da donatore nei confronti di altri atomi di ossigeno. Il legame di coordinazione È un particolare tipo di legame dativo che si forma quando un metallo, o uno ione metallico, viene circondato da atomi donatori di elettroni. Le molecole che circondano il metallo si dicono leganti, mentre il metallo al centro si chiama coordinante. 8

9 Il legame metallico Circa l 80%di tutti gli elementi sono metalli e sono caratterizzati da un reticolo cristallino. Ma come fanno gli atomi del metallo ad unirsi in un reticolo? Non potranno formare né legami ionici, perché i suoi atomi sono tutti uguali, né legami covalenti, perché la condivisione dei pochi elettroni esterni non conduce all ottetto. Il legame metallico In un metallo, però, gli elettroni più esterni hanno energia sufficiente per allontanarsi e muoversi liberamente. Il reticolo cristallino allora può formarsi attraverso una sequenza ordinata di ioni positivi tra i quali vagano gli elettroni esterni di tutti gli atomi del cristallo. All insieme degli elettroni mobili si dà il nome di mare di elettroni. Il legame metallico È proprio questo mare di elettroni che tiene uniti gli ioni positivi dei metalli. La mobilità degli elettroni conferisce anche le caratteristiche proprietà metalliche: lucentezza, conducibilità termica ed elettrica, malleabilità, duttilità 9