Legami chimici - prima parte

Legami chimici

L'esistenza di specie poliatomiche stabili (molecole o ioni poliatomici) dimostra che tra gli atomi possono stabilirsi delle rilevanti interazioni per dar luogo a degli aggregati che dal punto di vista energetico sono più stabili degli atomi separati: energia AB < energia A + energia B. Se l'abbassamento è maggiore di Kj/mol si può affermare che fra gli atomi si è formato un legame chimico.

Classificazione e rappresentazione di Lewis

I legami chimici si classificano in:

• Legame ionico
• Legame covalente
• Legame metallico
• Legame debole

Simboli di Lewis sono molto utili nella discussione del legame chimico; per ricavarli si scrive il simbolo dell'elemento chimico circondato da un numero di punti corrispondenti al numero degli elettroni di valenza dell'atomo.

Legame covalente

Nelle molecole O₂, H₂, N₂ non è possibile invocare un trasferimento di elettroni da un atomo all'altro nella loro formazione perché ambedue gli atomi sono della stessa specie. Per queste molecole il legame si spiega attraverso una condivisione di elettroni di valenza.

Teoria di Lewis

I legami covalenti sono formati dalla condivisione tra due atomi di una o più coppie di elettroni in modo che ciascun atomo raggiunga la configurazione elettronica di un gas nobile. La coppia di elettroni messi in comune/condivisi è detta coppia di elettroni di legame. Le coppie di elettroni non condivise sono chiamate coppie solitarie o di non legame.

Un legame singolo tra due atomi si forma per condivisione di una coppia di elettroni, ciascuno dei quali proviene da un atomo differente. Nell'unione dei due atomi può pertanto essere realizzata per entrambi una struttura a gas nobile, realizzando uno stato energeticamente più stabile. Esistono composti in cui il numero di elettroni disponibili in una molecola non consente di rappresentare la struttura di Lewis usando solo legami singoli, rendendo necessario l'uso di legami multipli.

Se tra due atomi sono condivise:

• Due coppie di elettroni: legame doppio
• Tre coppie di elettroni: legame triplo

Elettroni di legame sono localizzati nel caso del N₂ in 2p_x, 2p_y, 2p_z.

Regola dell'ottetto è la tendenza degli atomi a reagire per assumere un assetto esterno di otto elettroni. Si è visto che la configurazione di un gas nobile (grande stabilità) è ns²np⁶: 8 elettroni di valenza. Ad esempio, i seguenti elementi quando si legano con l'idrogeno formano i seguenti composti in accordo con la regola sopra enunciata: metano (CH₄), ammoniaca (NH₃), acqua (H₂O).

Formule di struttura o di Lewis mostrano quanti e quali elettroni di valenza sono coinvolti nel legame.

Teoria del legame di valenza

Un legame covalente si forma per sovrapposizione di due orbitali atomici, ciascuno dei quali contiene un solo elettrone proveniente dai due atomi A e B. In pratica, un legame tra due atomi A e B si forma se vi è un elettrone spaiato in ciascuno dei due orbitali che si combinano.

Criterio della massima sovrapposizione degli orbitali atomici

Il processo di sovrapposizione degli orbitali atomici è in relazione, nella teoria VB (valence bond), con l'energia di un dato legame: tale valore rappresenta una misura della forza del legame stesso. Infatti, quanto maggiore è la sovrapposizione tra due orbitali, tanto maggiore è l'energia di legame, e tanto più forte è il legame.

Nella meccanica quantistica si ricavano infatti espressioni dell'energia di legame in cui compare l'integrale di sovrapposizione S = ∫ Ψ_AΨ_BdV. In particolare, si ricava che quanto maggiore è S, tanto maggiore è il valore dell'energia di legame. S può essere spiegato e rappresentato dalla sovrapposizione di due orbitali Ψ_A e Ψ_B. Come già detto, le superfici Ψ₂ = cost dei singoli orbitali Ψ_A e Ψ_B sono tali da permettere di trascurare il valore delle funzioni nei punti esterni ad esse. Così, il prodotto Ψ_AΨ_B che compare nell'integrale di sovrapposizione, assume valori significativi solo nei punti in cui le due sfere si sovrappongono.

Esempi

Molecola di H₂: È proprio la sovrapposizione dei due orbitali atomici 1s, ciascuno contenente 1 elettrone, a dare origine al legame nella molecola di H₂.

Molecola di N₂: Possiamo realizzare 3 sovrapposizioni che permettono di ottenere forti legami.