Il legame chimico

Il legame chimico

Finora abbiamo visto come la materia è costituita da atomi. A questo livello vogliamo capire le cause ed il modo in cui gli atomi interagiscono tra di loro, formando molecole.

Alla base della formazione dei legami chimici che il concetto fisico secondo il quale "In natura i processi (chimici e non) avvengono spontaneamente quando lo stato finale ha un contenuto energetico minore di quello iniziale". Tutto ciò, specificato nel caso dei legami chimici, significa che due o più atomi si legano tra di loro quando l'aggregato che si forma ha una energia inferiore degli atomi allo stato isolato, cioè la molecola che si forma ha stabilità maggiore delle specie di partenza.

Si definisce energia di legame, espressa in KJ/mol, l'energia necessaria a rompere il legame formando i due atomi neutri:

AB → A + B.

Ma come si formano i legami chimici? Abbiamo visto che le caratteristiche di un atomo sono legate principalmente alla sua struttura elettronica esterna. Dobbiamo quindi pensare che i legami si formino mediante una redistribuzione della struttura elettronica esterna in modo da avere un contenuto energetico inferiore rispetto alla situazione di partenza.

In modo del tutto equivalente, la formazione di un legame chimico può essere spiegata secondo la regola dell'ottetto, che ci dice che un atomo forma un legame con un altro atomo per raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino.

Questi due ragionamenti sono equivalenti poiché la forza che spinge un atomo a completare l'ottetto è sempre quella di diminuire la sua reattività, in fin dei conti il contenuto energetico.

Ora, sia che si parli di completare l'ottetto, sia che si parli in modo del tutto equivalente di ridistribuzione degli elettroni esterni in modo da minimizzare l'energia, possiamo immaginare che tutto ciò avvenga in due modi estremi: o attraverso un trasferimento completo di elettroni (cioè un atomo prende gli elettroni che un altro atomo è felice di cedere) o attraverso la compartecipazione di elettroni. Nel primo caso si parla di legame ionico, nel secondo di legame covalente. Per completezza va detto che l'ottetto può essere completato anche con la formazione di un legame metallico per quelle specie che hanno pochi elettroni nello strato elettronico esterno.

Il legame ionico

Il legame ionico si realizza per trasferimento di uno o più elettroni da un atomo all'altro, con formazione di ioni di segno opposto, tra i quali si stabiliscono interazioni di natura elettrostatica.

Consideriamo per esempio la formazione del cloruro di sodio NaCl, e consideriamo tale processo anche da un punto di vista energetico.

Per fare ciò dobbiamo usare l'entalpia H, che è come vedremo quando parleremo di termodinamica: una forma di energia, ed è una funzione di stato, nel senso che la sua variazione in una trasformazione chimica non dipende dal cammino percorso, ma solo dal punto iniziale e quello finale.

Torniamo allora alla formazione di NaCl. Punto di partenza sono Na metallico e Cl₂ gassoso:

1. Sublimazione sodio Na_(g) → Na_(g) ΔH_s = +108,8 KJ/mol
2. Formazione Cl₂ ½ Cl_2(g) → Cl_(g) ΔH_d = +121,4 KJ/mol
3. Ionizzazione Na Na_(g) → Na⁺ + e^- ΔH_i = +498 KJ/mol
4. Ionizzazione Cl Cl_2(g) + e^- → Cl^-(g) ΔH_i = -356 KJ/mol
5. Interazione Na⁺(g) + Cl^-(g) → NaCl_(s) ΔH_s = -769,8 KJ/mol

Nella reazione globale:

Na_(g) + ½ Cl_2(g) → NaCl_(s) ΔE = -397,6 KJ/mol

Per completezza va detto che l'energia messa in gioco nello step 3 è praticamente l'energia di ionizzazione del sodio, mentre quella dello step 4 è l'affinità elettronica del cloro.

Quindi il processo complessivo comporta un passaggio da una energia maggiore (atomi isolati) ad una energia minore (NaCl), cioè si tratta di un processo esotermico.

L'ultimo termine della sommatoria, cioè quello relativo allo step 5, è quella che viene chiamata energia reticolare, ed è una misura della stabilità del reticolo cristallino.