OSS Capitolo 2 Il legame chimico. Il legame chimico. Obiettivo

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Benvenuto Savino
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1 1 Obiettivo Capire come gli atomi sono legati tra loro. In particolare vedremo che gli atomi hanno diverse modalità con le quali si attaccano e formano i composti. L'elettronegatività Forze di attrazione tra atomi Finora abbiamo visto che gli atomi hanno un nucleo che porta tute 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 attraggano? Come mostrato schematicamente, l'unica forza di attrazione è quella che sentono gli elettroni di un atomo nei confronti di un altro atomo. Atomi generosi e atomi golosi 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 (e che tendono a rubare elettroni) e atomi generosi (che non li attirano e quindi li donano facilmente). Il parametro che ci permette di distinguere questa caratteristica è l'elettronegatività. L'elettronegatività è un parametro fisico che indica quanto un atomo è goloso degli elettroni degli altri atomi. Più alto è il valore di elettronegatività e maggiore sarà questa attrazione. Osservando i valori di elettronegatività si scopre subito l'acqua calda e cioè che i non metalli sono elementi che attirano molto gli elettroni degli altri atomi, mentre i metalli non li attirano. Ciò ci ricorda quanto già detto sui metalli e sui non metalli. La differenza di elettronegatività più semplice è quello tra due atomi. Iniziamo a ragionare con questo sistema. Ci sono sostanzialmente due situazioni limite: quella in cui il legame è tra due atomi che hanno valori di elettronegatività molto diversi e quello in cui l'elettronegatività è simile. Per valutare la differenza di elettronegatività Den si sottrae il valore dell'elettronegatività di un atomo con quella dell'altro e si analizza il valore assoluto ottenuto, dimenticando quindi il segno.

2 2 Matematicamente si ottiene la seguente espressione: Questi due casi sono corredati da due legami chimici ben distinti. Ne primo caso si parlerà di legame ionico, mentre nel secondo caso avremo a che fare con il legame covalente. Il confine tra le due situazioni è attorno al valore 1.7, cioè se la differenza (delta) di elettronegatività è maggiore di 1.7 si ha a che fare con un legame ionico (ricordati come funzionavano i composti binari). Al di sotto di questo livello si ha a che fare invece con un legame covalente. Il legame ionico- Gli ioni Come detto se la differenza di elettronegatività è alta (oltre 1.7) abbiamo a che fare con un legame ionico. La situazione è facilmente compresa con un esempio. Guardiamo il composto binario tra Cesio (Cs) e fluoro (F). La loro differenza di elettronegatività è pari a 3.3. Il fluoro è talmente più goloso di elettroni rispetto al cesio, che glielo ruba. Si ha quindi la formazione di ioni, analogamente a quanto visto l'anno scorso con i composti binari. Come ben capite gli ioni negativi si formano quando un elemento acquista elettroni rubandoli da un altro elemento; gli ioni positivi si formano quando un elemento cede elettroni ad un altro. Esercizio Provate a fare un ragionamento analogo per le seguenti coppie di elementi: Na / Se Ca / I Mg / S Ti / O Sc / O Caratteristiche dei composti ionici I composti ionici sono costituiti da atomi carichi elettricamente che sono anche chiamati ioni. Tra gli ioni valgono le regole di attrazione-repulsione che siamo soliti osservare: gli ioni tendono ad attirare verso di sé gli ioni di carica opposta. Si ottiene un reticolo tridimensionale. Per questo motivo i composti ionici (come per esempio i sali) sono tutti solidi. Inoltre con questo modello possiamo anche capire come mai i sali sono fragili. Se un urto causa lo slittamento di una fila di ioni all'interno del reticolo cristallino, improvvisamente si crea tutta una serie di forze di repulsione; il solido si rompe!

3 3 Quando un sale si scioglie in acqua si ha la separazione dei singoli ioni che iniziano a nuotare indipendentemente. In questo caso si ha la formazione di un equilibrio chimico. Le soluzioni saline sono caratterizzate dal fatto che sono i grado di condurre la corrente elettrica; questa caratteristica ci mostra che gli ioni nuotano liberamente nell'acqua. l legame covalente Obiettivo Applicare il concetto di elettronegatività al legame covalente introducendo il concetto di legame covalente apolare e di legame covalente polare. Introduzione Finora abbiamo visto le caratteristiche dei legami chimici che hanno per caratteristica quella di avere una differenza di elettronegatività maggiore di 1.7. Quando la differenza di elettronegatività è minore di 1.7 la situazione del legame tra due atomi è radicalmente diversa da quella osservata nel legame ionico. 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, li mettano in comune a coppie, formando legami covalenti e riempiendo gli spazi vuoti degli orbitali. Questa messa in comune ha una modalità ben precisa; ogni atomo deve offrire all'altro un elettrone così come ogni atomo ne deve ricevere uno. Vediamo qualche esempio. La cosa è un pochino strana, ma ciascun atomo considera come propri gli elettroni che sono stati messi in comune con l'altro atomo. Anche quelli non in comune vengono indicati a coppie con trattini che però non si connettono ad altri atomi. Spesso succede che per avere tutti gli spazi vuoti riempiti, due atomi mettano più di un elettrone ciascuno in comune; in tal caso si formano legami doppi o anche tripli. Vediamo alcuni esempi. Il legame covalente è estremamente importante. Alcuni esempi sono l'alcol, l'acqua ossigenata. Il metano, la benzina il glucosio, ce, 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..

4 4 Questo per esempio è lo zucchero comune chiamato anche saccarosio; lo abbiamo già incontrato all'inizio del nostro percorso. Piano piano questo schema esotico inizia ad avere un significato. Ci sono 46 atomi tutti legati tra loro in modo covalente. Esercizi sul legame covalente Ricostruite la formula di struttura dei composti indicati in basso, utilizzando anche le indicazioni fornite. In alcuni casi è possibile trovare più di una struttura! Anidride carbonica (CO 2 ) Acqua ossigenata (H 2 O 2 ) Metanolo (CH 3 OH) Alcol (C 2 H 5 OH) Acetilene (gas per saldare) (C 2 H 2 ) Etilene (gas per il polietilene) (C 2 H 4 ) Propano (C 3 H 8 ) Acetone (C 3 H 6 O) Butano (gas campeggio) (C 4 H 10 ) Due C concatenati; uno dei due lega l'ossigeno Tre C concatenati Tre C concatenati; il C al centro lega l'ossigeno 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 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.

5 5 Nel caso invece del legame covalente tra idrogeno e cloro troviamo un legame covalente nel quale gli elettroni si trovano mediamente più vicini all'atomodi cloro che non all'atomodi 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'acidocloridrico avrà una parziale carica negativa mentre l'idrogenoavrà una parziale carica positiva. Si forma un cosiddetto dipolo elettrico che solitamente è indicato con un vettore (come le forze a fisica).

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