Legami chimici e forze intermolecolari

Legami chimici

Tra due atomi esiste un legame chimico se le forze agenti fra essi danno luogo alla formazione di un aggregato sufficientemente stabile da consentire di svelarne l’esistenza.

Concetti per affrontare la trattazione del legame chimico

• Energia di legame: l’energia necessaria per rompere il legame tra due atomi X e Y nel composto X-Y e portare gli atomi a distanza infinita tra loro. Viene espressa in kilojoule per mole.
• Distanza di legame: è il valore medio della distanza tra i nuclei di due atomi, si esprime in nanometri o in Angstrom. Alla diminuzione o all’aumento della distanza di legame fra una uguale coppia di atomi contenuta in molecole diverse, corrisponde un aumento o una diminuzione dell’energia di legame.
• Regola dell’ottetto: l’aggruppamento di otto elettroni s p prende il nome di ottetto ed è molto stabile, con basso contenuto di energia; nella formazione dei legami gli atomi tenderanno quindi a realizzare tale configurazione elettronica esterna. Quando n>2 e quindi verranno impegnati nei legami anche orbitali di tipo d, ci saranno numerosi composti che non seguono la regola dell’ottetto.
• Energia di ionizzazione: esprime il valore dell’energia necessaria a togliere un elettrone all’atomo isolato alla temperatura di 0 K, e portarlo a distanza infinita a stato di energia cinetica nulla. Viene espressa in kJ·mol^-1.
• Affinità per l’elettrone: ci sono atomi che tendono ad acquistare spontaneamente un elettrone formando ioni negativi più stabili dell’atomo da cui provengono; l’energia che si libera è tanto maggiore quanto maggiore è la tendenza dell’atomo ad acquistare l’elettrone e si misura in affinità: la variazione di energia di una mole di atomi isolati per l’acquisto di una mole di elettroni.
• Carattere metallico di un elemento: tanto minore è l’energia di ionizzazione, tanto maggiore è il suo carattere metallico.
• Rappresentazione degli atomi secondo Lewis: si usa rappresentare convenzionalmente gli atomi in modo da evidenziare solo la loro configurazione elettronica esterna, dato che sono gli elettroni più esterni i responsabili principali delle proprietà chimiche di un elemento. Gli elettroni esterni vengono indicati con punti posti attorno al simbolo dell’atomo, mettendo in evidenza eventuali lone pairs mediante l’avvicinamento tra loro di due punti.

All’origine di ogni legame stabile tra due atomi esiste una redistribuzione dei loro elettroni che comporta una diminuzione di energia potenziale.

Tipi di legami

• Legami atomici: si formano se gli atomi coinvolti nel legame hanno energie simili; si creano in questo caso nuove strutture atomiche con minor contenuto di energia, che costituiscono legame tra essi.
• Legami elettrostatici: se gli atomi coinvolti hanno una grande differenza di elettronegatività tra loro, si formano degli ioni positivi e degli ioni negativi tra i quali nasce un legame elettrostatico.

Legami atomici

Lo studio dei legami può essere affrontato seguendo due teorie diverse:

• Teoria del legame di valenza (VB): gli atomi che costituiscono la molecola conservano intatta la struttura elettronica interna, si legano tra loro attraverso gli elettroni esterni che, nel loro insieme, costituiscono la struttura portante della molecola.
• Teoria dell’orbitale molecolare (MO): quando formano una molecola, gli atomi non conservano la loro individualità; gli elettroni si distribuiscono sugli orbitali molecolari che, nel loro insieme, costituiscono l’elemento legante a tutti i nuclei.

Legame covalente puro

Nel legame covalente gli atomi condividono gli elettroni di legame. Il legame puro è formato da atomi che hanno la stessa polarità, per cui ΔE=0. Ad esempio, immaginiamo di avvicinare due atomi di Idrogeno che prima si trovavano a distanza infinita. Tra i due atomi si generano:

• Forze coulumbiane attrattive tra il nucleo di ciascun atomo e l’atmosfera elettronica dell’altro.
• Forze coulumbiane repulsive fra i due nuclei e tra le due atmosfere elettroniche.
• Forze quantistiche di scambio, che nascono quando i due atomi di H, avvicinandosi, iniziano a compenetrare le loro atmosfere elettroniche.

Nella meccanica quantistica si ammette che nella molecola di H ciascuno dei due elettroni interagisce con ambedue i nuclei allo stesso modo. Il valore minimo del contenuto di energia della molecola di H si ha quando i due nuclei sono a distanza di 0.074 nm: se sono a distanza minore tendono a respingersi, se sono a distanza maggiore tendono ad attrarsi. I due atomi di H hanno quindi messo in comune una coppia di elettroni, ciò si indica:

H-H

H:H

Quando la zona di copertura elettronica si trova sulla congiungente dei due nuclei ed è compresa tra questi, si ha un legame di tipo σ. Il legame σ può essere formato dalla ricopertura di orbitali di vario tipo. Quando due atomi mettono in comune 2 elettroni, tra essi si instaura un legame semplice (sempre di tipo σ).

Due atomi possono mettere in comune anche 2 o 3 coppie di elettroni, instaurando legami doppi o legami tripli. Quando la zona di copertura elettronica è fuori dalla congiungente dei due nuclei si ha un legame di tipo π. Il legame π è meno forte di quello σ. All’aumentare dell’ordine di legame aumenta anche la forza di legame e diminuisce la distanza fra i due nuclei degli atomi interessati. Le molecole omonucleari sono apolari, non presentano carica elettronica addensata.

Legame covalente eteropolare

In questo tipo di legame due atomi diversi mettono in comune i loro elettroni.