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I LEGAMI CHIMICI
Gli elementi chimici si legano tra di loro per raggiungere la stabilità, a parte i gas che sono inerti, ossia hanno una condizione che conferisce loro stabilità. Mentre tutti gli altri elementi chimici, oltre i gas, sono instabili, cioé hanno un elevato contenuto di energia e, per abbassarla, si uniscono con gli atomi o dello stesso elemento o di altri elementi chimici in modo da formare aggregati di materia stabili, che prendono il nome di molecole. I legami vengono definiti dalla regola dell'ottetto completo, che si ottiene quando gli elementi raggiungono gli otto elettroni nel guscio energetico più esterno. I tipi di legami chimici che si possono istaurare sono diversi: abbiamo legami fra atomi e legami fra molecole (o legami intermolecolari). Esistono tre tipi di legami chimici tra atomi: il legame covalente, il legame ionico ed il legame metallico. Il legame covalente, a sua volta, può essere omopolare (o puro), eteropolare o dativo. Mentre i legami chimici tra molecole possono essere: legame dipolo-dipolo, legame ad idrogeno ed il legame di Van der Waals. Il legame covalente è caratterizzato dalla compartecipazione degli elettroni; nel legame ionico vi sono atomi che acquistano elettroni o atomi che perdono elettroni (quindi questo legame avviene fra ioni); il legame metallico, invece, avviene tra metalli ed è un legame in cui viene a crearsi una situazione per la quale questi elementi non raggiungono l'ottetto completo.
Il legame covalente
Il legame covalente si può realizzare o tra atomi dello stesso tipo ed il legame si chiamerà covalente omopolare, o tra atomi di elementi chimici diversi ed il legame si chiamerà covalente eteropolare. Se la differenza di elettronegatività degli elementi chimici è superiore a 1,9 gli atomi che si uniscono perdono ed acquistano elettroni; mentre, se è inferiore a 1,9 gli atomi che si uniscono mettono in compartecipazione gli elettroni. Il legame covalente è caratterizzato dalla condivisione di elettroni fra atomi. Nel legame covalente omopolare le molecole che ne vengono fuori sono molecole formate da atomi tutti uguali. Nel legame covalente eteropolare le molecole che ne vengono fuori possono essere polari o apolari.
Il legame covalente omopolare
Il legame covalente omopolare è un legame che si realizza tra atomi uguali dello stesso elemento chimico, in cui si ha una compartecipazione di elettroni. Osserviamo come si verifica il legame covalente omopolare nell'elemento chimico dell'idrogeno: l'idrogeno ha un solo elettrone ed ha una configurazione elettronica esterna 1 s1. Quando un atomo di idrogeno si lega con un altro atomo di idrogeno per formare un legame covalente omopolare entrambi gli atomi raggiungono la stabilità mettendo in comune due elettroni e così anche la molecola che ne deriva dall'unione di questi due atomi di idrogeno (H2) raggiunge la stabilità. Quando questo legame si realizza succede che i due atomi si avvicinano e sovrappongono parzialmente i loro orbitali atomici fino a quando si verifica la formazione di un unico orbitale, chiamato orbitale molecolare, in cui ruotano nello stesso tempo e nella stessa durata entrambi gli atomi: prima attorno al primo nucleo e poi attorno al secondo nucleo dei due atomi di idrogeno (secondo la teoria degli orbitali molecolari). Queste molecole, quindi, sono molecole apolari perché, essendo i due atomi uguali, hanno la stessa elettronegatività ed anche perché gli elettroni sono disposti in modo simmetrico (la lunghezza fra i nuclei dei due atomi di idrogeno si chiama lunghezza di legame, infatti la lunghezza di legame rappresenta la distanza fra due nuclei dei due atomi). Invece, nel caso del cloro, quando viene messa in compartecipazione una coppia di elettroni di due atomi di cloro, una condizione necessaria affinché si realizzi questo legame è che gli elettroni siano spaiati (ossia che vi siano soltanto dei singoletti). Quindi gli orbitali che si sovrappongono sono gli orbitali p; così l'orbitale p, di forma ellittica, di un atomo di cloro si sovrapporrà parzialmente all'orbitale P dell'altro atomo di cloro finché la forza di attrazione esercitata dai nuclei sugli elettroni prevale sulla forza di repulsione esercitata dai protoni dei nuclei. Un atomo di cloro, mettendo in compartecipazione un elettrone con un altro atomo di cloro, che mette a sua volta un elettrone in compartecipazione, raggiunge la stabilità otteziale. In altri casi, in altri tipi di molecole, gli elementi mettono in comune due coppie di elettroni ed il legame diventa doppio, oppure altre che mettono in compartecipazione tre coppie di elettroni ed il legame diventa triplo. L'ossigeno ha sei elettroni nel guscio di valenza ed ha configurazione elettronica esterna s2p4. Così quando un atomo di ossigeno di lega ad un altro atomo di ossigeno, avente chiaramente la stessa configurazione elettronica esterna, si sovrappongono parzialmente i loro orbitali (quando si sovrappongono gli orbitali, gli elettroni hanno sempre spin opposti) che contentono il singoletto (infatti per fare questi legami è necessaria la presenza di singoletti, o elettroni spaiati). Così si ha la formazione di due orbitali molecolari in cui vengono a ruotare gli elettroni di entrambi gli atomi, e vengono messe in condivisione due coppie di elettroni e, a differenza dell'idrogeno e del cloro che formano legami semplici, l'ossigeno forma legami doppi. Mentre nella molecola di azoto abbiamo tre legami e, di conseguenza, il legame sarà triplo. Poiché i tre orbitali P sono diretti in tre direzioni spaziali differenti secondo l'asse x, y e z, essendo disposti perpendicolarmente tra di loro, quando i due atomi si avvicinano tra di loro per sovrapporre parzialmente i loro orbitali in modo da formare un legame doppio, quando questi due orbitali si sovrappongono parzialmente si trovano uno sul prolungamento dell'altro sulla retta ideale; quindi gli altri due orbitali che si sovrapporrano sono disposti necessariamente ai lati della retta ideale, formando così degli orbitali molecolari ai lati della retta ideale che unisce i due nuclei. L'orbitale molecolare che si formerà dalla sovrapposizione parziale degli orbitali atomici che si trovano sulla retta ideale sul prolungamento l'uno dell'altro prende il nome di (sigma). L'altro tipo di legame che deriva dalla sovrapposizione parziale degli orbitali atomici che si trovano ai lati della retta ideale prende il nome del legame (pigreco), che è più debole rispetto quello sigma perché questo tipo di sovrapposizione consente un maggiore avvicinamento tra nucleo ed elettroni, cosicché il nucleo esercita maggiore attrazione sugli elettroni. Il legame sigma è più forte rispetto quello pigreco e bisogna fornire maggiore energia per romperlo. L'azoto ha tre elettroni nel guscio di valenza. Quando si lega ad un altro atomo di azoto in modo da formare una molecola N2 mette in compartecipazione i tre elettroni spaiati in modo da raggiungere l'ottetto completo; chiaramente anche l'atomo di azoto con cui l'altro atomo di azoto si lega raggiunge la configurazione otteziale. Il legame dell'azoto è un legame triplo. Di questi tre legami che fa l'azoto, uno deriva dalla sovrapposizione degli orbitali atomici che si trovano sulla stessa retta ideale (sigma), mentre gli altri due derivano dalla sovrapposizione degli orbitali atomici che si trovano ai lati della retta ideale. Quindi l'azoto formerà un legame sigma e due legami pigreco.
Il legame covalente eteropolare
Il legame covalente eteropolare è un legame che si realizza fra atomi di elementi diversi e, proprio perché sono diversi, hanno una diversa elettronegatività e quindi, quando si realizza un legame fra due atomi di elementi diversi, essendo uno più elettrogativo dell'altro prevarrà su quest'ultimo, nel senso che gli elettroni, in questo legame, si troveranno a ruotare per maggior tempo attorno all'atomo più elettronegativo. L'idrogeno ha un solo elettrone e il cloro sette, per raggiungere l'ottetto completo ha bisogno di un elettrone, che mette in condivisione con l'idrogeno in modo da raggiungere la configurazione otteziale. Quando si realizza questo legame gli atomi si avvicinano, i due orbitali degli atomi si sovrappongono parzialmente in modo da creare un orbitale molecolare in cui gli elettroni, siccome il cloro è più elettronegativo dell'idrogeno, tendono a ruotare per maggior tempo attorno al nucleo del cloro, cosicché la parte dove c'è il cloro assume una parziale carica negativa (e ciò è importante perché se si omette il simbolo della carica parziale () il legame diventa ionico, ossia fra ioni e gli ioni tendono a perdere o acquistare elettroni, mentre in questi legami si ha la compartecipazione parziale di elettroni), mentre la parte dove c'è l'idrogeno assume una prziale carica positiva. Ciò comporta che la molecola dell'acido cloridico è una molecola polare: polare si definisce una molecola che ha in una parte una parziale carica positiva e in una parte una parziale carica negativa. La polarità delle molecole non dipende soltanto dal fatto che siano atomi diversi a creare una molecola, ma dipende anche da altri fattori: come, ad esempio, dalla differenza di elettronegatività, se l'elettronegatività è molto bassa, cioè inferiore a 0,4, la molecola che ne risulta è apolare, cioè il composto non ha polarità; come il metano, in cui il carbonio si lega con quattro atomi di idrogeno per formare CH4, realizzando un legame covalente apolare perché l'elettronegatività è molto bassa). La polarità di una molecola dipende anche da un altro fattore, cioè dalla disposizione spaziale che gli atomi assumono: se la disposizione è simmetrica le molecole sono polari, pur avendo differenti elettronegatività, superiori a 0,4. Nell'acqua (H2O), la polarità non dipende soltanto dalla differenza di elettronegatività ma dalla disposizione dell'ossigeno e dell'idrogeno, tanto che le le cariche risultano separate. Così anche nell'anidride carbonica (CO2), nonostante l'elettronegatività è superiore a 0,4, a causa della disposizione dell'ossigeno la molecola risulta apolare, in quanto non si ha una separazione delle cariche elettriche.
Il legame covalente dativo
E' sempre un tipo di legame covalente. Nel legame covalente dativo il doppietto condiviso viene messo a disposizione soltanto da uno dei due elementi, che prende il nome di donatore e l'elemento che riceve prende il nome di accettore. Quando la differenza di elettronegatività tra i due elementi è superiore a 1,9, in questo caso poiché la differenza di elettronegatività è molto alta, l'elemento più elettronegativo riesce a strappare gli elettroni all'altro e ci sarà uno che perde elettroni e uno che li acquista (ioni positivi o negativi), e tra questi due ioni si stabilisce un legame di natura elettrostatica e gli ioni sono disposti in modo da formare un reticolo cristallino.
Il legame metallico
Il legame metallico è un legame che avviene fra atomi. Il legame metallico avviene nei metalli che tendono a perdere elettroni, a causa della bassa energia di ionizzazione, bassa affinità elettronica e bassa elettronegatività. Durante i legami metallici gli atomi assumono una disposizione spaziale cristallina e mentre si forma il legame non si raggiunge la configurazione otteziale pur essendo molecole stabili. In questi legami gli elettroni del guscio energetico più esterno, essendo debolmente legati all'atomo di appartenenza, vengono a ruotare non solto attorno al nucleo del proprio atomo, ma anche attorno ai nuclei degli atomi vicini, in modo da formare una colla elettronica in cui sono immersi gli elettroni stessi; per questo motivo sono dei buoni conduttori di corrente elettrica.
Gli orbitali ibridi
Ci sono degli elementi che pur non avendo singoletti nella configurazione elettronica esterna, realizzano legami covalenti perché si formano dei particolari orbitali, chiamati ibridi. La formazione di questi legami comporta tre fasi: la prima è la promozione, la seconda è l'ibridazione (che richiedono energia) e la terza è la formazione del legame ibrido, in cui si verifica liberazione di energia che è maggiore di quella richiesta dalle fase precedenti.
BeH2 (idruro di berillio) = il berillio (Be) che appartiene al secondo gruppo ed ha una configurazione elettronica esterna 2 s2 si lega all'idrogeno (H) per formare l'idruro di berillio formando due legami covalenti in cui gli atomi sono disposti in modo da formare un angolo di 180°. Nella realizzazione di questo si verificano, appunto, tre fasi:
1° Fase: Promozione, fase in cui si verifica il passaggio di uno degli elettroni del guscio energetico più esterno nell'orbitale p, che ha un contenuto energetico superiore rispetto l'orbitale s e, per questo, nella 1° fase è richiesta energia. Ciò si verifica perché, per avvenire un legame tra due atomi è necessario che ci siano elettroni spaiati; nel caso del berillio, che non ha singoletti, è necessario, per far sì che avvenga il legame, che un elettrone passi nell'orbitale successivo.
2° Fase: Ibridazione, è una fase che richiede energia. In questa fase gli orbitali s e p si mescolano per formare due nuovi orbitali assumendo una forma intermedia e prendono il nome di orbitali sp. Attraverso questi orbitali avviene la 3° fase.
3° Fase: Formazione del legame, in questa fase avviene la formazione del legame ibrido e si libera energia, che è superiore a quella richiesta dalle prime due fasi.
BH3 (idruro di boro) = il boro, appartenente al 3° gruppo e avente configurazione elettronica esterna 2 s2 2 p1 , potrebbe formare un solo legame, ma si lega con tre atomi di idrogeno per formare l'idruro di boto. Così un elettrone passa all'orbitale p, in cui già l'atomo può creare tre legami, ma solo due di loro sono uguali e uno diverso. Però si è visto sperimentalmente misurando l'energia che serve per spezzare i legami che tutti e tre i legami hanno la stessa energia e ciò si giustifica ammettendo la 2° fase, quella dell'ibridazione, in cui i legami sono disposti sullo spazio in modo da formare angoli di 120° gradi e gli orbitali sono sp2.
CH4 (metano) = Il carbonio presenta vari tipi di ibridazione. Gli orbitali che si mescolano sono quattro e si mescolano formando quattro nuovi legami, ed ognuno di essi si chiamerà orbitale sp3, e saranno disposti ai vertici di un tetraedro, formando angoli di 109,5 gradi.
I legami intermolecolari
I legami intermolecolari sono legami che avvengono tra molecole.
Nelle molecole con polarità, come nell'acido cloridico, tra queste molecole si stabiliscono legami dipolo-dipolo, che sono legami di natura elettrostatica. In questi legami la parte positiva della molecola si orienta verso la parte negativa dell'altra molecola, provocando così una sorta di attrazione elettrostatica a catena che tiene unite tutte le molecole.
Un particolare legame dipolo-dipoloè il legame ad idrogeno, legame in cui però vi è l'idrogeno che si lega ad elementi elettronegativi. Quando l'idrogeno si lega a elementi come il fluoro, ossigeno ed azoto (elementi elettronegativi), la polarità che acquistano le molecole è piuttosto forte (come, ad esempio, nel caso dell'acqua). Questo tipo di legame viene rappresentato con tre palline.
Poi vi è un altro tipo di legame intermolecolare, che prende il nome di legame di Van der Waals, che si stabilisce tra molecole apolari. Le forze di London, invece, sono legami abbastanza deboli, tanto che lo iodio, ad esempio, è molto volatile. Durante questi legami succede che gli elettroni si possono trovare, nel loro movimento attorno ai due nuclei degli atomi, maggiormente concentrati da una parte che dall'altra e ciò determina la nascita di un dipolo momentaneo, quindi la parte dove sono più concentrati gli elettroni è parzialmente negativa e l'altra parzialmente positiva. Ciò determina nella molecola vicina una polarità indotta, perché viene indotta dallo spostamento degli elettoni. La polarità momentanea, quindi, induce nella molecola vicina una polarità indotta.
I solidi
I solidi possono essere di varia natura; possono essere ioni, atomi e molecole:
1- Ionici (Cloruro di sodio NaCl ; Floruro di litio LiF): le particelle sono disposte in modo regolare nello spazio e le particelle che compongono questi solidi sono ioni.
2- Covalenti o Reticolari (Quarzo, diamante, grafite, sabbia SiO2): le particelle che compongono questi solidi sono atomi tutti uguali e sono disposti secondo piani paralleli, in modo da formare una struttura tridimensionale (come il diamante, mentre il quarzo ha una forma a prisma.
3- Legame metallico (metalli - Elementi del blocco s e d): gli atomi sono disposti nello spazio in modo regolare, ma sono legati da legami metallici.
4- Molecole polari (Ghiaccio, saccarosio, alcuni sali, tricloruro di ferro FeCl3
5- Molecole apolari (Naftalina, iodio I2) 4-5 sono solidi molecolari
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LEGAMI CHIMICI - spiegazione dettagliata |
