MPT Il legame chimico. Il legame chimico. Prerequisiti

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1 1 Prerequisiti Dovreste aver capito come è costituito l atomo ed in particolare come si dispongono gli elettroni attorno al nucleo. Obiettivo Capire come gli atomi sono uniti tra loro. In particolare vedremo che gli atomi hanno diversi modi con i quali si attaccano. Introduzione L'elettronegatività Finora abbiamo visto che gli atomi hanno un nucleo che porta tutte le cariche positive e che gli elettroni, essendo carichi negativamente, si sentono attratti dal nucleo e gli orbitano attorno. Quello che dobbiamo ora affrontare è il legame chimico tra più atomi. Quali saranno le forze che fanno si che due atomi si attraggono? Come mostrato schematicamente, la forza che fa si che gli atomi si uniscano è in realtà la forza di attrazione che uno o più elettroni sentono nei confronti di un altro atomo. Non tutti gli atomi della tavola periodica riescono ad attirare verso di sé gli elettroni degli altri atomi con uguale forza: ci sono atomi golosi di elettroni (rubano elettroni) e atomi generosi (regalano elettroni). Il parametro che ci permette di distinguere questa caratteristica è l elettronegatività. Questo parametro è calcolato combinando i valori delle energie di ionizzazione e delle affinità elettroniche con un procedimento che non ci interessa. Ci basti sapere che più grande è il valore di elettronegatività e maggiore sarà la golosità di un atomo nei confronti degli elettroni degli altri atomi, e viceversa. Osservando i valori di elettronegatività sulla tavola periodica non ci sono particolari sorprese. Si osserva che i non metalli sono elementi tendenzialmente golosi di elettroni mentre i metalli sono più o meno generosi nel cedere gli elettroni, e questo fatto è in perfetta concordanza con quanto osservato finora analizzando le differenze tra metalli e non metalli. La differenza di elettronegatività e il legame chimico più semplice è quello tra due atomi singoli. Iniziamo quindi a ragionare con una coppia di atomi.

2 2 Ci sono sostanzialmente due situazioni limite: quella in cui il legame è tra due atomi che hanno valori di elettronegatività molto diversi e quella in cui questi valori sono simili. Per valutare la differenza di elettronegatività E n si sottrae il valore dell elettronegatività di un atomo con quella dell altro e si analizza il valore assoluto ottenuto. Quando la differenza di elettronegatività tra due atomi è superiore al valore 1.7 ci si trova nella situazione del legame ionico, mentre se il valore è inferiore avremo a che fare col legame covalente. Vediamo ora che cosa sono in dettaglio queste due situazioni. Il legame ionico Come detto se la differenza di elettronegatività è alta (oltre 1.7) abbiamo a che fare con un legame ionico. Cosa significa questo fatto? Ebbene già intuitivamente si può capire: un atomo goloso ruba uno o più elettroni ad un atomo generoso. Risultato: uno o più elettroni traslocano completamente da un atomo all altro. Naturalmente anche qui vale la regola dell ottetto vista con i gruppi. Cioè sia l atomo che regala elettroni, sia quello che accetta elettroni vogliono raggiungere lo stato in cui hanno l orbitale più esterno completo. Ciò ha effetto sulla composizione dei composti ionici. Osserviamo alcuni esempi di legami ionici e la formula del composto che si ottiene: ottengono i composti ionici. Osservate anche che il composto finale che si ottiene è elettricamente neutro, nonostante che si formino degli elementi carichi elettricamente. Gli elementi che acquistano carica elettrica sono chiamati ioni. I non metalli formano solitamente ioni negativi, i metalli ioni positivi. Altri composti ionici saranno presentati più tardi, a chi fosse interessato. In questo modo si Caratteristiche dei composti ionici I composti ionici sono composti da atomi carichi elettricamente. Anche tra gli ioni valgono le regole di attrazione e repulsione che abbiamo visto precedentemente tra le cariche elettriche delle particelle elementari. Gli ioni attirano a sé gli altri ioni di carica opposta e... e così via. Si ottiene un reticolo tridimensionale. Per questo motivo i composti ionici (come per esempio i sali) sono tutti solidi. Inoltre con questo modello si può spiegare la loro fragilità. Se un urto causa lo slittamento di

3 3 una fila di ioni, si passa da una situazione dove gli ioni si attraggono tra loro ad una situazione nella quale tutti gli ioni si respingono. Il solido quindi si rompe. Inoltre quando un sale si scioglie si ha la separazione dei singoli atomi che iniziano a nuotare nel liquido, ciascuno per i fatti propri, vedremo nel prossimo capitolo come. Ricordatevi poi che i composti ionici devo per forza di cose essere neutri, altrimenti tutta la struttura del reticolo cristallino salterebbe a causa di un eccesso di forze di repulsione. In questa ottica provate a risolvere anche la seconda parte della serie 8. Legame covalente La seconda situazione è quella in cui la differenza di elettronegatività è inferiore a 1.7. In questo caso entrambi gli atomi attirano gli elettroni dell altro atomo con forza simile e non c è ragione di pensare che uno dei due atomi rubi uno o più elettroni all altro. Tuttavia gli atomi aspirano ad avere l orbitale più esterno completo. Ciò fa si che invece di rubarsi gli elettroni, gli atomi li mettono in comune a coppie, formando legami covalenti, riempiendo gli spazi vuoti sugli orbitali. I legami in certi casi possono essere anche doppi o tripli, a seconda delle esigenze. Vediamo alcuni esempi La cosa è un pochino strana, ma ciascun atomo considera come propri tutti gli elettroni che sono stati messi in comune con l altro atomo. Formalmente tra i due atomi si traccia un trattino che simboleggia i due elettroni in comune. Anche quelli non in comune vengono indicati a coppie con trattini che non si connettono ad altri atomi. Il legame covalente è estremamente importante. Alcuni esempi sono l alcol, l acqua ossigenata, il metano, la benzina, il glucosio, ecc., ecc. Inoltre anche a livello biologico il legame covalente è essenziale. Sono composti covalenti gli zuccheri, le proteine, i grassi, il DNA, insomma, quasi tutto... Per quanto riguarda le caratteristiche delle sostanze covalenti, non è facile ritrovare aspetti generali come abbiamo fatto con i composti ionici. Per una discussione completa bisognerà aspettare l'unità didattica successiva. La situazione si complica: il legame covalente polare La situazione del legame covalente è ulteriormente complicata dal fatto che non tutti i legami covalenti sono uguali tra loro. All'interno di questa classe vi è un'ulteriore suddivisione: i legami

4 4 covalenti apolari e i legami covalenti polari. Innanzitutto osserviamo che il confine tra legami covalenti apolari e legami covalenti polari corrisponde a 0.4. Quando la differenza di elettronegatività è inferiore a questo valore si ha a che fare con un legame covalente apolare (chiamato anche legame covalente puro) mentre quando la differenza di elettronegatività è maggiore di 0.4 (e minore di 1.7) si ha a che fare con un legame covalente polare (o polarizzato). Per capire la differenza che intercorre tra i due casi possiamo prendere in esame due situazioni simili: il legame covalente tra due atomi di cloro e il legame covalente che si osserva nell'acido cloridrico. Nel primo caso troviamo che gli elettroni sono messi in comune in modo normale ; i due elettroni si trovano a metà strada tra i due atomi. Nel caso invece del legame covalente tra idrogeno e cloro troviamo un legame covalente nel quale gli elettroni si trovano mediamente più vicini all'atomo di cloro che non all'atomo di idrogeno. Il cloro, avendo un'elettronegatività maggiore dell'idrogeno attira più fortemente verso di sé gli elettroni del legame covalente. Si ha quindi una distribuzione asimmetrica degli elettroni di legame. Questa distribuzione asimmetrica ha una conseguenza molto importante: all'interno della molecola covalente polare si formano due zone distinte nelle quali si trovano delle cariche elettriche parziali. Nel nostro caso il cloro dell'acido cloridrico avrà una parziale carica negativa mentre l'idrogeno avrà una parziale carica positiva. Si forma un cosiddetto dipolo elettrico che solitamente è indicato con un vettore (come le forze a fisica). Il legame covalente dativo Sempre nella grande famiglia del legame covalente vi è un'altra sottospecie, non molto comune ma però importante. Quella del legame covalente dativo. In questa situazione si forma un legame covalente esattamente come negli altri casi, tuttavia i due elettroni di legame provengono entrambi dallo stesso

5 5 atomo. Si osservino i due esempi riportati qui sotto e il libro a pag Si può notare come molte sostanze semplici come gli ioni che si trovano nell'acqua sono composte da legami chimici combinati (ionico, covalente (polarizzato e non), covalente dativo). Il legame covalente dativo verrà poi ripreso nell'ambito del capitolo sul ph. Il legame metallico Una situazione molto diversa dal legame covalente, e più simile a quella del legame ionico la si trova nel cosiddetto legame metallico. I metalli allo stato elementare si organizzano in un modo particolare. I nuclei e gli elettroni sugli orbitali più interni rimangono fissi ed organizzati come in un reticolo ionico cristallino. Gli elettroni dell'ultimo orbitale (ma non sempre tutti, a volte solo una parte di questi) si muovono liberamente tra i nuclei agendo da collante. Le forze di repulsione dei nuclei carichi positivamente sono annullate da questi elettroni in movimento. Questo modello spiega alcune caratteristiche dei metalli, quali la loro malleabilità e conducibilità elettrica. Facendo slittare una fila di atomi di una posizione le forze all'interno del solido non cambiano e quindi non vi è friabilità del materiale. Inoltre applicando un piccolo potenziale elettrico gli elettroni iniziano a scorrere tra le maglie del cristallo.

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