Caratteristiche e nozione di Legami chimici

Composizione e legami chimici

Gli aatomi si trovano in natura in combinazione con altri atomi, cioè sotto forma di molecole. Le molecole possiedono composizione chimica e proprietà chimiche e fisiche diverse dagli atomi degli elementi che la compongono. In natura solo gli atomi dei gas nobili si trovano allo stato elementare, in forma monoatomica, cioè sotto forma di atomi singoli; in tutti gli altri casi gli atomi si legano tra loro dai cosiddetti legami chimici. E' questione di energia: se la molecola nel suo insieme è caratterizzata da un'energia minore di quella che hanno i singoli atomi separati, allora la formazione della molecola è favorita.

Energia e stabilità molecolare

Un corpo raggiunge un equilibrio stabile quando la sua energia potenziale è minima.

Un legame chimico si forma se l'energia complessiva degli atomi uniti tra loro è minore di quella che avrebbero se fossero separati.

L'energia di legame è l'energia necessaria per rompere un determinato legame in una mole di sostanza.
In un composto gli atomi che partecipano alla formazione del legame tendono ad acquistare la configurazione elettronica esterna del gas nobile che immediatamente li precede o li segue nella tavola periodica. Questo comportamento è noto come regola dell'ottetto: gli atomi che formano un composto perdono, acquistano oppure condividono gli elettroni in modo da raggiungere un ottetto di elettroni di valenza

L'elettronegatività è l'abilità di un atomo di attrarre gli elettroni di legame verso il proprio nucleo. I non metalli possiedono un'elettronegatività maggiore di quella dei metalli. Questo accade perchè, per raggiungere l'ottetto del più vicino gas nobile, quello che li segue, i non metalli devono acquisire elettroni mentre i metalli li devono perdere per ''somigliare'' al gas nobile che li precede.

Numeri di ossidazione e legami covalenti

Per identificare con facilità quando gli atomi perdono o acquistano elettroni nel reagire e formare composti, sono molto utili i cosiddetti numeri (o stati) di ossidazione (n.o). Il numero di ossidazione di un elemento corrisponde alla carica formale che questo avrebbe se, in una molecola, gli elettroni di legame fossero assegnati all'atomo più elettronegativo.

Quando due non metalli si combinano tra loro per formare un composto, gli elettroni di valenza sono condivisi da entrambi gli atomi che partecipano al legame per raggiungere una situazione stabile. Il legame così formato e il composto che si forma sono chiamati covalenti.

Nei legami covalenti gli elettroni di valenza e le coppie elettroniche condivise possono essere rappresentate attraverso le formule di Lewis. Per rappresentare gli elettroni con queste formule si utilizza un disegno che riporta il simbolo dell'elemento in questione e attorno ad esso dei punti che corrispondono al numero di elettroni nell'ultimo livello.

Attrazione e legami covalenti

Quando due atomi si trovano a una distanza molto grande, non risentono di alcuna attrazione reciproca; nel momento in cui gli atomi si avvicinano, le cariche positive presenti nei nuclei di ciscun atomo tendono ad attrarre gli elettroni dell'altro atomo. Questa reciproca attrazione fa sì che gli atomi si avvicinino finchè non sono in grado di condividere una coppia di elettroni di valenza per formare un legame covalente noto come omopolare o non polare. Quindi, si può concludere che la coppia di elettroni di valenza è condivisa in uguale misura dai due atomi e l'elettronegatività tra loro è pari.

Legami covalenti eteropolari e dativi

Si parla di legame covalente eteropolare quando gli atomi che si legano presentano una discreta differenza di elettronegatività. In questo tipo di legame gli elettroni condivisi sono maggiormente attratti dall'atomo più elettronegativo: ciò fa sì che tale atomo acquisti una parziale carica negativa mentre, vicevversa, l'atomo dotato di minore elettronegatività mostra una parziale carica positiva. La molecola risulta avere un polo parzialmente negativo e un'altro parzialmente positivo: si dice quindi che la molecola è un dipolo.

Quando all'interno di una molecola la coppia di elettroni condivisi è fornita da uno solo degli atomi che partecipano alla formazione del legame, si parla di legame covalente dativo, talvolta anche dtto legame di coordinazione. Devono essere presenti simultaneamente un atomo donatore ricco di coppie di elettroni liberi che ha già raggiunto l'ottetto e u atomo accettore in grado di riorganizzare la propria configurazione elettronica per accogliere la coppia ricevua dal donatore.

Legami ionici e metallici

Il tipo di legame che può esere presente in un composto è funzione della differenza di elettronegatività (Delta e) tra gli atomi che costituiscono il composto stesso. La differenza di elettronegatività tra gli atomi è talmente elevata da dare vita a un vero e proprio trasferimento di elettroni dall'atomo meno elettronegativo all'atomo più elettronegativo. Il risultato di questo trasferimento è la formazione di due ioni, uno positivo e un'altro negativo: tra queste due specie si accendono forze di tipo elettrostatico che determinano un'attrazione tra due ioni di carica opposta e il legame che si genere è chiamato ionico.

Il legame metallico avviene quando gli ioni che si legano tra loro per dare vita a un solido abbiano tutti segno uguale e positivo. Questi ioni dovrebbero respingersi perchè portano la stessa carica ma non avviene perchè il solido metallico è costituito da un insieme di ioni positivi immersi in un mare di elettroni mobili: in questo modo le forze repulsive che si dovrebbero generare tra gli ioni positivi sono schermate e annullate dagli elettroni.

Teoria del legame di valenza

La teoria del legame di valenza spiega l'interazione degli orbitali. Essa prevede che, per poter realizzare un doppietto di legame, si debbano sovrapporre i lobi di due orbitali, ciascuno appartenente a uno degli atomi che partecipano alla formazione del legame. Se ogni orbitale porta un elettrone, gli elettroni si accoppiano disponendosi con spin opposto e formando il doppietto. Questa teoria descriv anche la geometria di una molecola.

Legame a idrogeno e strutture biologiche

Quando un atomo di idrogeno è legato ad elementi che presentano alti valori di elettronegatività, si instaura un particolare tipo di attrazione dipolo-dipolo (molecola che stabilisce la parte terminale carica positivamente e una negativamente di un'altra molecola) chiamata legame a idrogeno o legame a ponte di idrogeno: si tratta di un'attrazione piuttosto forte che ha luogo tra l'atomo di idrogeno parzialmente positivo appartenente a una molecola e un doppietto libero di elettroni presente in atomi come F,N oppure O, appartenenti ad un'altra molecola. Grazie alla presenza di tali legami si possono creare importanti molecole e strutture biologiche quali le proteine e il DNA.