I legami chimici

Materie:Riassunto
Categoria:Chimica
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CAPITOLO 14 – IL LEGAME CHIMICO TRA GLI ATOMI
1 – CHE COSA È IL LEGAME CHIMICO
Dato che gli atomi contengono particelle che hanno carica elettrica, anche i legami che si stabiliscono tra gli atomi e le molecole sono forze di natura elettrica. Quindi possiamo affermare che il legame chimico è una forza di attrazione di tipo elettrico capace di tenere uniti gli atomi e quindi di dare origine a tutte le sostanze.
Naturalmente è difficile pensare che due atomi possano legarsi a causa della forza di repulsione tra gli elettroni di un atomo e gli elettroni dell’altro. Però dobbiamo ricordare che esiste anche una forza di attrazione tra il nucleo di un atomo e gli elettroni dell’altro atomo. Perciò se si forma un legame stabile tra due p più atomi, vuol dire che le forze di attrazione prevalgono sulle forze di repulsione. Inoltre possiamo dire che il legame dà stabilità al sistema poiché l’energia della molecola è minore di quella degli atomi separati.
2 – UNO STRUMENTO PER CAPIRE IL LEGAME CHIMICO: L’ELETTRONEGATIVITÀ.
Nel capitolo precedente abbiamo visto l’importanza degli elettroni di valenza nelle proprietà chimiche. Anche la capacità e il modo dei vari atomi di formare legami sono essenzialmente dovuti agli elettroni di valenza.
Per interpretare la formazione dei legami chimici, ossia descrivere la situazione che si crea quando gli elettroni di un atomo sono attratti dal nucleo di un altro atomo, i chimici hanno cercato di individuare una proprietà, l’elettronegatività, che non riguardi i singoli atomi, ma che sia capace di descrivere e prevedere la forza con cui un atomo riesce ad attrarre gli elettroni responsabili del legame chimico, cioè quelli che si collocano tra sé stesso e un altro atomo. Conoscere il valore di elettronegatività di un elemento è importante quando esso viene confrontato con un atomo che interagisce con il primo. La relazione è questa: se l’elettronegatività di X è maggiore di quella di Y, vuol dire che gli atomi di X hanno maggiore tendenza ad attirare gli elettroni di valenza che i due atomi impegnano per il legame.
3 – DUE MODELLI FONDAMENTALI: IL LEGAME IONICO E IL LEGAME COVALENTE.
Viene chiamato legame ionico quella forza di attrazione che tiene uniti ioni di segno opposto, ioni che si sono formati per trasferimento di elettroni da un atomo all’altro. Prendiamo in considerazione un atomo di cesio e uno di fluoro che si trovano vicini: l’atomo di fluoro, a causa del suo alto valore di elettronegatività, tende ad attrarre non solo i suoi elettroni di valenza ma anche l’unico elettrone del cesio. Quest’ultimo, avendo un’elettronegatività molto bassa, non riesce a trattenere il suo elettrone e così quest’ultimo si trasferisce nell’atomo di fluoro. Così otteniamo che il cesio, cedendo il suo elettrone, diventa uno ione positivo (Catione) mentre il fluoro, acquistando un elettrone, diventa uno ione negativi (Anione). Gli ioni che si ottengono, avendo carica elettrica opposta, si attraggono fortemente legandosi tra loro. Se abbiamo un insieme di atomi di cesio e fluoro, è logico pensare che attorno ad ogni ione si dispongano più ioni di segno contrario e questo dà origine al composto che vediamo. Naturalmente gli ioni devono essere presenti in numero uguale per avere un composto neutro, attribuendogli la formula CsF. Infine il trasferimento di un elettrone da ciascun atomo di cesio a ciascun atomo di fluoro determina una variazione della struttura elettronica. Infatti gli ioni che si formano arrivano ad avere l’ultimo livello completato e quindi, come i gas nobili, riesce a formare l’ottetto.
Viene chiamato legame covalente quella forza di attrazione tra due atomi dovuta ad una coppia di elettroni condivisi. Se consideriamo due atomi uguali di fluoro, che hanno quindi la stessa elettronegatività, sappiamo che non può accadere che un atomo attragga gli elettroni di valenza dell’altro o che uno ceda un elettrone all’altro come nel legame ionico. Questo tipo di legame prevede che i due atomi possano mettere in comune un elettrone ciascuno: cioè esiste la possibilità che una coppia di elettroni si ponga a metà strada tra i due nuclei e venga da questi attratta con la stessa forza; i due elettroni condivisi prendono il nome di coppia di legame. Quindi due atomi di fluoro mettono in comune un elettrone ciascuno e così si legano formando una molecola, una particella più stabile dei due atomi separati.
4 – QUALCOSA DI PIÙ SUL LEGAME CHIMICO.
I due modelli di legame ionico e covalente sono situazioni limite e quindi non possono esaurire la descrizione dei legami presenti in tutte le sostanze. Il confronto tra i modelli teorici e la realtà consente di formulare due affermazioni semplici:
A – chiamiamo composti ionici tutte le sostanze formate da atomi la cui differenza di elettronegatività è maggiore di 1,7 poiché in tal caso il legame ha carattere prevalentemente ionico; questo fatto si verifica sempre quando si formano composti tra i metalli e i non-metalli.
B – chiamiamo composti covalenti le sostanze in cui la differenza di elettronegatività tra gli atomi legati è minore di 1,7; in questo caso infatti il legame tra gli atomi ha un carattere prevalentemente covalente; questo fatto si verifica quasi sempre quando si legano tra loro i non-metalli.
5 – IL MODELLO DEL LEGAME IONICO ALLA PROVA: LE PROPRIETÀ DEI COMPOSTI IONICI.
Per verificare il legame ionico prendiamo in considerazione il cloruro di sodio, NaCl. Prima occorre verificare che esso sia formato da ioni e per far questo si può procedere a una prova molto semplice, basata sul fatto che la presenza di ioni mobili consente il passaggio dell’energia elettrica. Se prendiamo la figura vediamo che nella figura a la lampadina è spenta perché gli ioni vincolati nel cristallo di sale non possono muoversi; nella figura b invece la lampadina è accesa, cioè c’è corrente elettrica: infatti nel sistema fuso gli ioni di sodio e quelli di cloruro sono liberi di muoversi verso gli elettrodi. I cristalli del sale NaCl hanno una forma cubica, quasi sempre regolare e sono duri e compatti. Proprio per questa compattezza si capisce che sia difficile rompere questa struttura cristallina e per staccare gli ioni uno dall’altro dobbiamo mettere NaCl a una temperatura di fusione molto alta (801°). I cristalli ionici hanno due caratteristiche: elevata durezza che è data dalla compattezza della struttura e dalla forza dei legami ionici e la grande fragilità data dalla stessa regolarità della disposizione degli ioni nei cristalli. Infatti se si cerca di modificare la struttura, anche un semplice slittamento, può portare alla rottura in quanto esso porterebbe a forze di repulsione che si creano tra ioni aventi carica elettrica dello stesso segno.
Sulla base di queste affermazioni possiamo dire:
▪i composti ionici sono tutti composti in quanto solo atomi di elementi diversi possono formare legami ionici;
▪sono tutti solidi a temperatura ambiente;
▪allo stato liquido sono buoni conduttori di corrente elettrica;
▪fondono a temperature piuttosto elevate;
▪non si possono facilmente lavorare perché sono duri e fragili.
6 – IL MODELLO DEL LEGAME COVALENTE ALLA PROVA: LE PROPRIETÀ DELLE SOSTANZE COSTITUITE DA MOLECOLE.
Se consideriamo il fluoro, F2, non ha nessuna delle proprietà interpretate sulla base del modello ionico. Infatti a temperatura ambiente (fino a -188°) è allo stato gassono e non conduce la corrente elettrica in modo apprezzabile. Perciò le sostanze covalenti possono essere gassose, solide o liquide a temperatura ambiente, possono essere elementi o composti e non conducono corrente elettrica. Ciò accade perché nelle sostanze covalenti non ci sono ioni o elettroni di valenza, essendo bloccati tra gli atomi, non possono muoversi liberamente.
7 – IL LEGAME METALLICO
Sappiamo che i metalli possono condurre bene l’energia elettrica. Ciò significa che il legame tra gli atomi dei metalli non può essere né covalente né ionico. Infatti solo la presenza di elettroni liberi di muoversi può consentire ad un solido di condurre la corrente elettrica. Perciò i metalli usano un legame che permette agli elettroni di valenza di essere liberi e i metalli non sono costituiti da cationi e anioni ma dagli ioni tutti positivi del metallo e dagli elettroni di valenza. Questi elettroni formano una specie di nuvola elettronica molto mobile che pervade tutta la struttura e costituisce il “collante” che tiene uniti gli ioni. Perciò viene chiamato legame metallico quella forza di attrazione che si esercita tra ioni positivi degli atomi e l’insieme degli elettroni di valenza in cui sono immersi. Anche la struttura cristallina dei metalli è diversa da quella dei composti ionici. Infatti i metalli sono molto malleabili e ciò si spiega con il fatto che gli ioni sono tutti positivi e quindi non possono nascere forze di repulsione.
8 – MODELLI DI LEGAME E FORMULE DELLE SOSTANZE: LA REGOLA DELL’OTTETTO
Abbiamo già visto quanto sia importante, per ottenere un’elevata stabilità chimica, che gli atomi presentino una struttura elettronica a livelli completi. Se pensiamo al composto CsF e alla molecola di fluoro, notiamo che i due modelli portano gli atomi a raggiungere una stabilità. Perciò possiamo dire che la formazione dei legami tra atomi è finalizzata a ottenere strutture elettroniche stabili, cioè atomi con 8 elettroni esterni. Da qui nasce la regola dell’ottetto enunciata nel 1916 da G.N. Lewis.
® quando si formano legami chimici gli atomi tendono ad acquistare, a cedere o a condividere tanti elettroni quanti sono necessari per raggiungere una struttura con otto esterni.
LA REGOLA DELL’OTTETTO E LE SOSTANZE COVALENTI.
Se prendiamo una molecola di acqua, sappiamo che essa è formata da due atomi di idrogeno e una di ossigeno. Ogni atomo di ossigeno ha bisogno di due elettroni per completare il suo livello più esterno, mentre gli atomi di idrogeno ne richiedono uno soltanto: così ogni atomo di ossigeno deve condividere due coppie di elettroni , una per ciascun atomo di idrogeno. In questo modo si spiega la formula H2O della molecola dell’acqua.
Se prendiamo in considerazione la molecola del diossido di carbonio, CO2, vediamo che l’atomo di carbonio ha bisogno di 4 elettroni per completare il suo livello ma l’ossigeno può condividere solo due elettroni per completare il suo ottetto. Così si mettono in comune 4 coppie di elettroni. Quando ci sono due coppie di elettroni condivisi tra due atomi, i due legami covalenti che si formano prendono il nome di doppio legame.
La possibilità che due atomi possano condividere più di due coppie di elettroni è un aspetto del modello che serve a spiegare anche perché le molecole di azoto sono biatomiche. Infatti i due atomi di azoto mettono in comune tre elettroni ciascuno per completare l’ottetto, formando tre legami covalenti. In generale, quando tra due atomi ci sono tre coppie di elettroni in comune, i tre legami covalenti che si formano prendono il nome di triplo legame.
9 – MOLECOLE E MACROMOLECOLE
Le molecole sono formate da un numero ben preciso di atomi legati tra loro con legami covalenti. Le sostanze formate da molecole sono anche chiamate sostanze molecolari. Esistono però sostanze covalenti che non sono formate da molecole ma da un numero indefinito di atomi che si dispongono in strutture regolari e geometriche, simili a quelle dei composti ionici. Un esempio è il diamante, una sostanza costituita da atomi di carbonio. L’atomo di carbonio ha 4 elettroni di valenza che vengono tutti utilizzati per formare 4 legami covalenti. Ogni atomo di carbonio si lega con altri quatto atomi di carbonio i quali a loro volta si legano con altri tre atomi di carbonio e così via.. così si ottiene una rete tridimensionale di atomi di carbonio disposti in modo regolare che dà origine ad una particolare struttura cristallina che ha particolari proprietà: la più alta temperatura di fuione e la più elevata durezza e scarsissima tendenza a reagire. Il quarzo ha una struttura simile ma contiene due elementi diversi: silicio e ossigeno. Queste strutture sono chiamate macromolecole e perciò le sostanze covalenti caratterizzate da questo tipo i struttura prendono il nome di sostanze macromolecolari.
10 – IL LEGAME COVALENTE POLARIZZATO
Se prendiamo in considerazione atomi di idrogeno e di cloro,che sono atomi di non-metalli,. Possiamo vedere che hanno un’alta elettronegatività ma la differenza è minima perciò il legame tra gli atomi sarà covalente. Ogni atomo di idrogeno si lega a uno di cloro mettendo in comune un elettrone ciascuno. Però l’atomo di cloro è più elettronegativo perciò la coppia di elettroni di legame non è equidistante dai due nuclei. Infatti gli elettroni di legame sono più attratti dal nucleo del cloro che è più elettronegativo. Così si ha una molecola in cui la carica negativa degli elettroni è distribuita in modo asimmetrico rispetto ai due nuclei. Inoltre gli elettroni di legame sono più attratti verso l’atomo più elettronegativo che quindi acquista una parziale carica negativa mentre sull’altro atomo si forma una parziale carica positiva.
Possiamo dire che: quando si verifica questa situazione per cui la diversa elettronegatività degli atomi determina la formazione di due polarità elettriche di segno contrario, il legame viene chiamato legame covalente polarizzato.
11 – IL LEGAME DATIVO
I Sali di ammonio sono composti ionici in cui è presente il catione ammonio NH4+. L’atomo di azoto, avendo 5 elettroni di valenza, può formare tre legami covalenti con altrettanti atomi di idrogeno come l’ammoniaca(NH3).
L’esistenza dello ione di ammonio ci indica che l’atomo di azoto può formare un altro legame che nasce in modo diverso. Infatti i 2 elettroni in comune tra l’azoto e lo ione H+ provengono dall’atomo di azoto. Questo legame prende il nome di legame dativo. L’atomo che mette in comune la sua coppia di elettroni si chiama atomo datore.

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  1. Francescamiciotti

    Sto cercando appunti o riassunti di chimica sono alla università di Roma la sapienza e il professore è Carlo Travaglini allocatelli