Il legame chimico tra gli atomi

Di Barbara Leone.

Il legame chimico è l'unione tra atomi in cui intervengono forze attrattive di natura elettrica tra nuclei ed elettroni di valenza. Gli atomi isolati degli elementi in genere sono instabili e quindi per stabilizzarsi devono universi ad altri atomi, con i quali realizzare un importante scambio di elettroni di valenza. E questo è quello che avviene nei legami chimici, che sono molto importanti anche perché sono responsabili della formazione delle molecole. Viene qui spiegato il significato di legame chimico e le varie caratteristiche

Gli atomi isolati degli elementi, esclusi i gas nobili, sono, in varia misura, instabili in quanto hanno livelli di valenza incompleti, che, cioè, non contengono il massimo numero possibile di elettroni. L'unico modo che questi atomi hanno per stabilizzarsi è quello di unirsi con altri atomi con cui realizzare opportuni scambi di elettroni di valenza. In questo modo ciascun atomo contraente può assicurarsi un assetto elettronico uguale a quello di un gas nobile contiguo nel sistema periodico. Con il termine "legami chimici" si indicano quindi le unioni tra atomi in cui intervengono forze attrattive di natura elettrica tra nuclei ed elettroni di valenza.

Il legame chimico si forma in seguito alle forti interazioni tra atomi ed è responsabile della formazione delle molecole. Quando due o più atomi vengono posti a breve distanza, si manifesta una forza attrattiva tra gli elettroni dei singoli atomi e i nuclei vicini. Se questa forza è sufficientemente intensa da mantenere uniti gli atomi, si forma un legame chimico. Tutti i legami chimici derivano dallo scambio o dalla condivisione di elettroni da parte di almeno due atomi.

Nei legami atomici il legame covalente omeopolare si forma in seguito alla condivisione di almeno due elettroni da parte di una coppia di atomi uguali. In questo caso gli elettroni di legame sono distribuiti in ugual misura sui due atomi. Se gli atomi che formano la molecola sono di tipo diverso, il legame si dice covalente eteropolare. Gli elettroni di legame sono più vicini all'atomo più elettronegativo e generano un polo di carica debolmente positiva e uno di carica debolmente negativa. Sostanze di questo tipo non conducono l'elettricità, non hanno lucentezza, né duttilità, né malleabilità.

Si parla di legame dativo, quando i due elettroni di legame provengono da un unico atomo: un atomo, definito "donatore", cede il proprio elettrone a un altro atomo, chiamato "accettore". Nei legami covalenti omeopolari e metallici si ha una distribuzione omogenea di elettroni; nei legami covalenti polari una distribuzione eterogenea. Il completo trasferimento elettronico da un atomo all'altro caratterizza invece i legami ionici. Il tipo di legame che si forma è determinato dalla differenza di elettronegatività tra gli atomi coinvolti. Tra 0 e 0,4 si parla di legame covalente; tra 0,4 e 2,5 legame eteropolare; tra 2 e 2,6 legame eteropolare tendente allo ionico; tra 2,6 e 3,3 legame ionico.

Il legame tra elementi metallici è un legame metallico. In questo caso gli elettroni sono delocalizzati su tutti gli atomi e sono in grado di muoversi liberamente nel solido, dando luogo a conducibilità elettrica e termica, lucentezza, malleabilità e duttilità dei metalli. Tutti i metalli allo stato solido sono costituiti da un reticolo ordinato di atomi privi dell'elettrone più esterno (cationi). Gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi nel metallo e di formare legami non direzionali. Per questo i metalli conducono bene l’elettricità e sono generalmente malleabili.

Tra i legami elettrostatici c'è il legame ionico, che si instaura quando gli atomi di un metallo, trasformati in ioni positivi (cationi) si legano con gli ioni negativi (anioni) di un non metallo. La forza di questo legame è di natura elettrostatica. Grazie alla mobilità degli ioni, i composti ionici conducono l'elettricità quando sono in soluzione acquosa o allo stato fuso. Si parla quindi di una attrazione tra cariche intere opposte. Il legame ione-di polo, che s’instaura tra uno ione (+ o -) e una molecola di polo, è preferibile allo ionico perché è molto più conveniente.

I legami di Van der Waals sono:
- di polo – di polo;
- di polo – di polo indotto;
- di polo indotto - di polo indotto.

Il "di polo" è una molecola costruita con un legame eteropolare con i poli parzialmente positivi o negativi. Il legame "di polo – di polo" è il legame a idrogeno, molto più forte per la differenza di elettronegatività e frequente degli altri due. Si forma quando un atomo di idrogeno, legato per mezzo di un legame covalente a un atomo più elettronegativo, ha interazioni elettrostatiche con gli atomi di un'altra molecola. Il legame "di polo – di polo indotto" avviene tra un "di polo" e un molecola con un legame omeopolare che viene indotto a una squilibrio di cariche diventando un "di polo". Quando questo "di polo indotto" induce un omeopolare si tratta del legame "di polo indotto - di polo indotto".

Negli atomi, gli elettroni degli orbitali più interni sono attratti dal nucleo in modo molto intenso e non intervengono nelle interazioni con altri atomi. Solo gli elettroni che si trovano nelle zone più esterne dell'atomo, elettroni di valenza, possono essere coinvolti nella formazione di legami chimici. Se si utilizza la notazione più vecchia, che impiega i numeri romani per distinguere i diversi gruppi della tavola periodica, il numero di elettroni di valenza è fornito dal gruppo cui l'atomo appartiene. Così, gli elementi dei gruppi IA (o 1) e IB (o 11) hanno un solo elettrone di valenza; gli elementi dei gruppi IIA (o 2) e IIB (o 12) ne hanno due e gli elementi dei gruppi IVA (o 4) e IVB (o 14) ne hanno quattro.

Tutti gli elementi dell'ottavo gruppo del sistema periodico sono gas poco reattivi che esistono solo in forma monoatomica. A causa della scarsa reattività vengono chiamati gas nobili. Ad eccezione dell'elio, questi gas sono caratterizzati dall'avere otto elettroni negli orbitali più esterni e questa configurazione elettronica conferisce loro bassa energia ed elevata stabilità. Tutti gli elementi tendono, con la formazione di legami chimici, ad assumere una struttura stabile raggiungendo la configurazione elettronica esterna caratteristica del gas nobile più vicino nella tavola periodica. Tale comportamento è stato riassunto nella regola dell'ottetto enunciata dal chimico americano Gilbert Newton Lewis. I metalli nei gruppi IA (o 1) e IB (o 11) della tavola periodica tendono a perdere un elettrone per formare ioni con una carica positiva; quelli dei gruppi IIA (o 2) e IIB (o 12) tendono a perdere due elettroni così da formare ioni con due cariche positive; e così via. Gli alogeni (gruppo VIIB o 17) tendono ad acquistare un elettrone per formare ioni con carica negativa, mentre gli elementi del gruppo VIB (o 16) ne acquistano due formando ioni con due cariche negative.

Si consideri ad esempio la molecola di cloro (Cl2): ciascun atomo ha 35 elettroni, uno in meno rispetto all'atomo di argo, il gas nobile più vicino nella tavola periodica. Quando due atomi di cloro formano un legame covalente omeopolare condividendo due elettroni, entrambi raggiungono una configurazione elettronica con 36 elettroni. In genere si rappresenta la coppia di elettroni condivisi con la formula Cl:Cl. L'atomo di ossigeno ha in totale otto elettroni, due in meno rispetto al gas nobile più vicino, il neon. Quando due atomi di ossigeno si legano per formare la molecola O2, mettono in compartecipazione quattro elettroni, due per ogni atomo. In questo caso si forma tra i due atomi un doppio legame, O:O.