Legami chimici

Immagina un mondo senza legami, per essere precisi, senza legami chimici. Gli atomi si ignorano l'un l'altro e vanno alla deriva nello spazio, facendosi gli affari propri. L'acqua dell'oceano si divide in gas di idrogeno e ossigeno, che si espande fino a 1500 volte il loro volume liquido. Gli atomi di cloro dei sali disciolti nell'acqua formano una nube tossica che avvelena tutta gli esseri viventi. Non ci sarebbe né vita, né acqua, né niente di niente. Tutte le reazioni che avvengono e tutte le molecole che troviamo nella vita esistono solo grazie ai legami. Gli unici elementi che comunemente troviamo liberi in natura senza legami sono i gas nobili.

Esistono due categorie di legami, noti come legami primari e secondari. Il legame primario è quello a cui la maggior parte delle persone pensa quando si parla appunto di legami. I legami primari sono noti anche come forze intramolecolari. Hanno luogo tra atomi all'interno della stessa molecola. Sono generalmente forti e difficili da rompere.

I legami secondari, invece, sono molto più deboli. Sono comunemente noti come forze intermolecolari, poiché avvengono tra molecole. Quando qui si parla di legami, si intende il legame primario, a meno che non sia specificato diversamente.

Perchè si formano i legami?

I legami si formano perchè gli atomi aspirano ad essere stabili e a trovarsi nello stato energetico più basso possibile. Pertanto, combinandosi con altri atomi attraverso varie combinazioni, possono formare sostanze con stati energetici più bassi.

La stabilità dipende dal numero di elettroni che un atomo ha nel suo guscio esterno. Per essere stabile al massimo, un atomo deve avere un guscio esterno pieno di elettroni, come quello di un gas nobile. Ecco perché i gas nobili non formano facilmente legami con altri atomi. Sono già stabili al massimo! Si presentano invece come gas monoatomici.

Gli atomi legati tra loro formano molecole o composti.

Tipi di legami chimici

Abbiamo già detto che il legame avviene per attrazione tra cariche positive e negative. Dovresti sapere che gli atomi sono composti da protoni, neutroni ed elettroni. La tabella seguente riassume le loro cariche e la loro posizione all'interno dell'atomo.

Si può notare che i protoni hanno una carica positiva e gli elettroni una carica negativa. Queste sono le uniche particelle cariche all'interno di un atomo. Tutta l'attrazione, e quindi tutti i legami, devono avvenire tra protoni ed elettroni.

Sappiamo che gli atomi cercano di formare legami per ottenere un guscio esterno completo di elettroni. Lo fanno spostando gli elettroni. Possono farlo in tre modi diversi, che si traducono in tre diversi tipi di legame:

• Condividendo gli elettroni si ottiene il legame covalente.
• Donando elettroni si ottiene un legame ionico.
• La delocalizzazione degli elettroni dà luogo al legame metallico.

Legame covalente

Gli atomi legati in modo covalente condividono gli elettroni l'uno con l'altro in modo da avere i gusci esterni pieni di elettroni.

Solo i non metalli formano legami covalenti. Gli orbitali degli elettroni di due atomi diversi si sovrappongono e si forma una coppia di elettroni condivisa utilizzando un elettrone di ciascun atomo. Il legame è tenuto insieme dall'attrazione tra la coppia di elettroni negativi condivisi e i nuclei positivi dei due atomi.

Legame ionico

Il legame ionico si verifica tra metalli e non metalli. I legami ionici si formano quando un atomo di metallo dona elettroni a un non metallo. Si formano così atomi carichi, detti ioni, che si attraggono l'un l'altro. Un legame ionico è l'attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta.

Figura 2. Un diagramma che mostra il legame ionico. Ogni atomo di sodio dona un elettrone ad un atomo di cloro formando ioni sodio positivi e ioni cloro negativi. Fonte: commons.wikimedia.org

Legame metallico

Figura 3. Legame metallico nel sodio. Ogni atomo di sodio perde un elettrone per formare uno ione positivo. Gli elettroni sono delocalizzati e si muovono all'interno della struttura.

Forze intermolecolari - legami secondari

Come sapete, le sostanze costituite da due o più atomi uniti da legami chimici sono chiamate molecole. Ad esempio, due atomi di idrogeno e uno di ossigeno si legano per formare una molecola d'acqua. Sappiamo che i legami si trovano all'interno delle molecole. Quali forze si trovano tra le molecole?

La risposta è Forze intermolecolari, che sono anche note come legami secondari. Ci sono tre diversi tipi:

• Forze di Van der Waals.
• Forze permanenti dipolo-dipolo.
• Legame a idrogeno.

Forze di Van der Waals

Le forze di Van der Waals sono il tipo più debole di forza intermolecolare. Si verificano tra tutte le molecole. Il movimento casuale degli elettroni all'interno di una molecola provoca un dipolo temporaneo, che induce un dipolo in una molecola vicina. L'attrazione tra i due dipoli tiene unite le molecole.

Forze permanenti dipolo-dipolo

In alcune molecole, gli elettroni sono distribuiti in modo permanente e non uniforme. Ciò significa che un lato della molecola è costantemente più negativo dell'altro e si parla di dipolo permanente. I dipoli con carica opposta si attraggono. Queste forze sono note come forze dipolo-dipolo permanenti e sono più forti delle forze di van der Waals.

Legame a idrogeno

Alcune molecole contenenti atomi di idrogeno sperimentano un tipo di forza intermolecolare ancora più forte che chiamiamo legame a idrogeno. Si verifica tra molecole che hanno un atomo di idrogeno legato a un atomo di ossigeno, azoto o fluoro.

Il diagramma seguente classifica i diversi tipi di legami primari e secondari, noti anche come forze intramolecolari e intermolecolari, in base alla loro forza relativa.

Legami e struttura

Basta osservare gli oggetti di uso quotidiano per capire che i diversi tipi di legame producono strutture molto diverse. Prendiamo ad esempio un anello di diamanti. Il metallo che compone l'anello è facilmente fuso o battuto nella sua forma circolare a toro, ma il diamante incastonato al centro è estremamente duro e resistente. In effetti, il diamante non si scioglie affatto in condizioni atmosferiche normali. Se lo si riscalda a temperature estremamente elevate, si sublima, cioè si trasforma in un gas.

Questo perché i metalli si legano con legami metallici, mentre il diamante con legami covalenti. Ciò conferisce alle due sostanze, struttura e proprietà molto diverse. Tuttavia, anche l'ossigeno è una molecola covalente, ma si comporta in modo completamente diverso dal diamante! Guardate ad esempio i loro stati della materia. Abbiamo appena imparato che il diamante ha bisogno di temperature estreme per sublimare, ma l'ossigeno, al contrario, è un gas a temperatura ambiente. Possiamo quindi dedurre che non è solo il tipo di legame a influenzare le proprietà di una molecola, ma anche la struttura e la disposizione degli atomi e il modo in cui i legami tengono insieme la molecola. La seguente tabella riassume i diversi tipi di strutture che troviamo in chimica.

Tabella 1. Confronto tra diverse strutture che i legami possono formare.

Legami e geometria molecolare

In precedenza abbiamo appreso come i metalli e le sostanze ioniche formino dei reticoli. Anche alcune sostanze covalenti lo fanno.

Per esempio, il reticolo ionico del cloruro di sodio alterna ioni positivi di sodio e ioni negativi di cloruro. Tuttavia, una semplice molecola covalente non ha una struttura reticolare. Al contrario, forma una molecola con una geometria specifica, a seconda del numero di coppie di elettroni e di legami covalenti che contiene.

La geometria della molecola è dettata dalle coppie di elettroni. Immagina due magneti. Se si tengono vicini i due poli sud, cercheranno di separarsi. Questo perché cariche simili si respingono. Le coppie di elettroni sono molto simili. Se mettiamo insieme un gruppo di coppie di elettroni nel guscio di un atomo, queste si respingeranno a vicenda, cercando di allontanarsi il più possibile. Se tutte le coppie di elettroni fanno parte di legami covalenti, i legami saranno equidistanti. Ma le coppie di elettroni che non fanno parte di un legame, note come coppie solitarie, hanno una forza repulsiva più forte delle coppie impegnate nei legami. Respingono maggiormente le altre coppie di elettroni e schiacciano le coppie legate tra loro.

Un esempio è il metano, CH₄. Ha quattro coppie di elettroni nel suo guscio esterno. Sono tutte coppie impegnate in legami e si respingono a vicenda in egual misura. L'angolo tra ciascuna delle coppie legate è di 109,5°. Anche l'acqua (H₂O) ha quattro coppie di elettroni nel suo guscio esterno. Tuttavia, due di queste coppie non sono legate, ma sono coppie di elettroni solitari. Questo riduce l'angolo di legame a soli 104,5°.

La tabella seguente riassume le geometrie delle diverse molecole covalenti. Sono presenti anche dei diagrammi che ti aiuteranno a consolidare le vostre conoscenze.