Il Legame chimico è la forza che riesce a tenere insieme gli atomi che compongono la materia. Ogni tipo di materia ha un legame chimico caratteristico, che consiste nella partecipazione di uno o più elettroni. Pertanto, le forze che uniscono gli atomi nei gas sono diverse, ad esempio, dai metalli.
Tutti gli elementi della tavola periodica (ad eccezione dell'elio e dei gas nobili leggeri) possono formare legami chimici tra loro. Tuttavia, la natura di questi viene modificata a seconda degli elementi da cui provengono gli elettroni che li formano. Un parametro essenziale per spiegare il tipo di legami è l'elettronegatività.
La differenza di elettronegatività (ΔE) tra due atomi definisce non solo il tipo di legame chimico, ma anche le proprietà fisico-chimiche del composto. I sali sono caratterizzati dall'avere legami ionici (alto ΔE) e molti dei composti organici, come la vitamina B12 (immagine in alto), legami covalenti (ΔE basso).
Nella struttura molecolare superiore, ciascuna delle linee rappresenta un legame covalente. I cunei indicano che il collegamento emerge dal piano (verso il lettore) e quelli sottolineati dietro il piano (lontano dal lettore). Nota che ci sono doppi legami (=) e un atomo di cobalto coordinato con cinque atomi di azoto e una catena laterale R..
Ma perché si formano tali legami chimici? La risposta sta nella stabilità energetica degli atomi e degli elettroni partecipanti. Questa stabilità deve bilanciare le repulsioni elettrostatiche sperimentate tra nuvole di elettroni e nuclei e l'attrazione esercitata da un nucleo sugli elettroni dell'atomo vicino..
Indice articolo
Molti autori hanno fornito definizioni del legame chimico. Di tutti questi, il più importante era quello del fisico-chimico G. N. Lewis, che definì il legame chimico come la partecipazione di una coppia di elettroni tra due atomi. Se gli atomi A e B possono contribuire con un singolo elettrone, allora il singolo legame A: B o A-B si formerà tra di loro.
Prima della formazione del legame, sia A che B sono separati da una distanza indefinita, ma durante il legame ora c'è una forza che li tiene insieme nel composto biatomico AB e una distanza (o lunghezza) di legame.
Quali sono le caratteristiche di questa forza che tiene insieme gli atomi? Questi dipendono più dal tipo di collegamento tra A e B che dalle loro strutture elettroniche. Ad esempio, il collegamento AB è direzionale. Cosa significa? Che la forza esercitata dall'unione della coppia di elettroni può essere rappresentata su un asse (come se fosse un cilindro).
Inoltre, questo legame richiede energia per rompersi. Questa quantità di energia può essere espressa nelle unità di kJ / mol o cal / mol. Una volta che sufficiente energia è stata applicata al composto AB (mediante calore, ad esempio), si dissocierà negli atomi originali A e B..
Più stabile è il legame, maggiore è l'energia necessaria per separare gli atomi legati..
D'altra parte, se il legame nel composto AB fosse ionico, A+B-, allora sarebbe una forza non direzionale. Perché? Perché+ esercita una forza attrattiva su B- (e viceversa) che dipende più dalla distanza che separa entrambi gli ioni nello spazio che dalla loro posizione relativa.
Questo campo di attrazione e repulsione riunisce altri ioni per formare quello che è noto come reticolo cristallino (immagine in alto: catione A+ giace circondato da quattro anioni B-, e questi quattro cationi A+ e così via).
Perché una coppia di elettroni formi un legame ci sono molte cose che devono essere considerate prima. I nuclei, per dire quelli di A, hanno protoni e sono quindi positivi. Quando due atomi A sono molto distanti, cioè a grande distanza internucleare (immagine in alto), non subiscono alcuna attrazione.
Quando i due atomi A si avvicinano ai loro nuclei, attraggono la nuvola di elettroni dell'atomo vicino (il cerchio viola). Questa è la forza di attrazione (A sul cerchio viola adiacente). Tuttavia, i due nuclei di A si respingono perché sono positivi e questa forza aumenta l'energia potenziale del legame (asse verticale).
C'è una distanza internucleare in cui l'energia potenziale raggiunge il minimo; cioè, entrambe le forze attrattive e repulsive sono bilanciate (i due atomi A nella parte inferiore dell'immagine).
Se questa distanza diminuisce dopo questo punto, il legame farà sì che i due nuclei si respingano con grande forza, destabilizzando il composto A-A..
Quindi, affinché il legame si formi, deve esserci una distanza internucleare energeticamente adeguata; e inoltre, gli orbitali atomici devono sovrapporsi correttamente affinché gli elettroni si leghino.
E se invece di due atomi di A, uno di A e l'altro di B si unissero? In questo caso, il grafico superiore cambierebbe perché uno degli atomi avrebbe più protoni dell'altro e le nuvole di elettroni avrebbero dimensioni diverse..
Poiché il legame AB si forma alla distanza internucleare appropriata, la coppia di elettroni si troverà principalmente nelle vicinanze dell'atomo più elettronegativo. Questo è il caso di tutti i composti chimici eteronucleari, che costituiscono la stragrande maggioranza di quelli conosciuti (e saranno noti).
Sebbene non siano menzionate in profondità, ci sono numerose variabili che influenzano direttamente il modo in cui gli atomi si avvicinano e si formano i legami chimici; alcuni sono termodinamici (la reazione è spontanea?), elettronici (quanto pieni o vuoti sono gli orbitali degli atomi) e altri cinetici.
I collegamenti hanno una serie di caratteristiche che li distinguono l'uno dall'altro. Molti di loro possono essere inquadrati in tre classificazioni principali: covalente, ionica o metallica.
Sebbene ci siano composti i cui legami appartengono a un unico tipo, molti in realtà consistono in una miscela di caratteri di ciascuno. Questo fatto è dovuto alla differenza di elettronegatività tra gli atomi che formano i legami. Pertanto, alcuni composti possono essere covalenti, ma hanno un certo carattere ionico nei loro legami..
Allo stesso modo, il tipo di legame, la struttura e la massa molecolare sono fattori chiave che definiscono le proprietà macroscopiche della materia (lucentezza, durezza, solubilità, punto di fusione, ecc.).
I legami covalenti sono quelli che sono stati spiegati finora. In essi, due orbitali (un elettrone in ciascuno) devono sovrapporsi ai nuclei separati a una distanza internucleare appropriata..
Secondo la teoria degli orbitali molecolari (TOM), se la sovrapposizione degli orbitali è frontale, si formerà un legame sigma σ (che è anche chiamato legame semplice o semplice). Se invece gli orbitali sono formati da sovrapposizioni laterali e perpendicolari rispetto all'asse internucleare, avremo i legami π (doppi e tripli):
Il legame σ, come si può vedere nell'immagine, si forma lungo l'asse internucleare. Sebbene non mostrati, A e B possono avere altri legami e quindi i propri ambienti chimici (parti diverse della struttura molecolare). Questo tipo di maglia si caratterizza per il suo potere rotante (cilindro verde) e per essere il più forte di tutti.
Ad esempio, il singolo legame nella molecola di idrogeno può ruotare sull'asse internucleare (H-H). Allo stesso modo, un'ipotetica molecola CA-AB può farlo..
I collegamenti C-A, A-A e A-B ruotano; ma se C o B sono atomi o un gruppo di atomi voluminosi, la rotazione A-A è stericamente impedita (perché C e B entrerebbero in collisione).
I singoli legami si trovano praticamente in tutte le molecole. I loro atomi possono avere qualsiasi ibridazione chimica purché la sovrapposizione dei loro orbitali sia frontale. Tornando alla struttura della vitamina B12, ogni singola riga (-) indica un singolo collegamento (ad esempio, collegamenti -CONHDue).
Il doppio legame richiede che gli atomi abbiano (solitamente) ibridazione spDue. Il legame p puro, perpendicolare ai tre orbitali sp ibridiDue, forma il doppio legame, che appare come un foglio grigiastro.
Si noti che sia il legame singolo (cilindro verde) che il doppio legame (foglio grigio) coesistono contemporaneamente. Tuttavia, a differenza dei legami singoli, i doppi legami non hanno la stessa libertà di rotazione attorno all'asse internucleare. Questo perché, per ruotare, il collegamento (o la lamina) deve rompersi; processo che necessita di energia.
Inoltre, il legame A = B è più reattivo di A-B. La sua lunghezza è minore e gli atomi A e B si trovano a una distanza internucleare minore; quindi, c'è una maggiore repulsione tra entrambi i nuclei. La rottura di entrambi i legami singoli e doppi richiede più energia di quella necessaria per separare gli atomi nella molecola AB..
Nella struttura della vitamina B12 si possono osservare diversi doppi legami: C = O, P = O e all'interno degli anelli aromatici.
Il triplo legame è ancora più corto del doppio legame e la sua rotazione è più energeticamente impedita. In esso si formano due legami π perpendicolari (i fogli grigiastri e viola), nonché un singolo legame.
Di solito, l'ibridazione chimica degli atomi di A e B deve essere sp: due orbitali sp a 180º l'uno dall'altro e due orbitali p puri perpendicolari al primo. Si noti che un triplo legame sembra una pagaia, ma senza potenza di rotazione. Questo legame può essere rappresentato semplicemente come A≡B (N≡N, molecola di azoto NDue).
Di tutti i legami covalenti, questo è il più reattivo; ma allo stesso tempo, quello che necessita di più energia per la completa separazione dei suoi atomi (· A: +: B ·). Se la vitamina B12 aveva un triplo legame all'interno della sua struttura molecolare, il suo effetto farmacologico sarebbe cambiato drasticamente.
Sei elettroni partecipano a tripli legami; in doppio, quattro elettroni; e nel semplice o semplice, due.
La formazione di uno o più di questi legami covalenti dipende dalla disponibilità elettronica degli atomi; cioè, quanti elettroni hanno bisogno i loro orbitali per acquisire un ottetto di valenza.
Un legame covalente consiste nella condivisione uguale di una coppia di elettroni tra due atomi. Ma questo è strettamente vero solo nel caso in cui entrambi gli atomi hanno uguale elettronegatività; cioè, la stessa tendenza ad attrarre la densità di elettroni dall'ambiente circostante in un composto.
I legami non polari sono caratterizzati da una differenza di elettronegatività nulla (ΔE≈0). Ciò si verifica in due situazioni: in un composto omonucleare (ADue), o se gli ambienti chimici su entrambi i lati del legame sono equivalenti (H.3C-CH3, molecola di etano).
Esempi di legami non polari sono visti nei seguenti composti:
-Idrogeno (H-H)
-Ossigeno (O = O)
-Azoto (N≡N)
-Fluoro (F-F)
-Cloro (Cl-Cl)
-Acetilene (HC≡CH)
Quando c'è una marcata differenza nell'elettronegatività ΔE tra entrambi gli atomi, si forma un momento di dipolo lungo l'asse di legame: Aδ+-Bδ-. Nel caso del composto eteronucleare AB, B è l'atomo più elettronegativo, e quindi ha una densità elettronica maggiore higher-; mentre A, il meno elettronegativo, carenza di carica δ+.
Perché si verifichino i legami polari, due atomi con differenti elettronegatività devono unirsi; e quindi, formano composti eteronucleari. A-B assomiglia a un magnete: ha un polo positivo e uno negativo. Ciò gli consente di interagire con altre molecole attraverso forze dipolo-dipolo, tra cui i legami idrogeno..
L'acqua ha due legami covalenti polari, H-O-H, e la sua geometria molecolare è angolare, il che aumenta il suo momento di dipolo. Se la sua geometria fosse lineare, gli oceani evaporerebbero e l'acqua avrebbe un punto di ebollizione inferiore.
Il fatto che un composto abbia legami polari, non implica che sia polare. Ad esempio, tetracloruro di carbonio, CCl4, ha quattro legami C-Cl polari, ma a causa della loro disposizione tetraedrica, il momento di dipolo finisce per essere annullato vettorialmente.
Quando un atomo cede una coppia di elettroni per formare un legame covalente con un altro atomo, allora parliamo di un legame dativo o di coordinazione. Ad esempio, avendo B: la coppia di elettroni disponibile e A (o A+), un posto vacante elettronico, viene formato il collegamento B: A.
Nella struttura della vitamina B12 i cinque atomi di azoto sono legati al centro metallico di Co da questo tipo di legame covalente. Questi nitrogeni cedono la loro coppia di elettroni liberi al catione Co.3+, coordinando il metallo con loro (Co3+: N-)
Un altro esempio può essere trovato nella protonazione di una molecola di ammoniaca per formare ammoniaca:
H3N: + H+ => NH4+
Si noti che in entrambi i casi è l'atomo di azoto che contribuisce con gli elettroni; pertanto, il legame covalente dativo o di coordinazione si verifica quando un atomo da solo contribuisce alla coppia di elettroni.
Allo stesso modo, la molecola d'acqua può essere protonata per diventare il catione idronio (o ossonio):
HDueO + H+ => H3O+
A differenza del catione di ammonio, l'idronio ha ancora una coppia di elettroni liberi (H.3O:+); tuttavia, è molto difficile per esso accettare un altro protone per formare la dicazione instabile di idronio, H4ODue+.
Nella foto è una bianca collina di sale. I sali sono caratterizzati dall'avere strutture cristalline, cioè simmetriche e ordinate; alti punti di fusione e di ebollizione, elevate conduttività elettriche durante la fusione o la dissoluzione e inoltre i suoi ioni sono fortemente legati dalle interazioni elettrostatiche.
Queste interazioni costituiscono quello che è noto come legame ionico. Nella seconda immagine è stato mostrato un catione A.+ circondato da quattro anioni B-, ma questa è una rappresentazione 2D. In tre dimensioni, A+ dovrebbe avere altri anioni B- avanti e dietro l'aereo, formando varie strutture.
Quindi, A+ può avere sei, otto o anche dodici vicini. Il numero di vicini che circondano uno ione in un cristallo è noto come numero di coordinazione (N.C). Ad ogni N.C è associato un tipo di disposizione cristallina, che a sua volta costituisce una fase solida del sale.
I cristalli simmetrici e sfaccettati visti nei sali sono dovuti all'equilibrio stabilito dalle interazioni di attrazione (A+ B-) e repulsione (A+ PER+, B- B-) elettrostatico.
Ma perché A + e B-, o Na+ e Cl-, non formano legami covalenti Na-Cl? Perché l'atomo di cloro è molto più elettronegativo del sodio metallico, che è anche caratterizzato dalla rinuncia molto facile ai suoi elettroni. Quando questi elementi si incontrano, reagiscono esotermicamente per produrre sale da cucina:
2Na (s) + ClDue(g) => 2NaCl (s)
Due atomi di sodio cedono il loro singolo elettrone di valenza (Na) alla molecola biatomica di ClDue, per formare gli anioni Cl-.
Le interazioni tra cationi sodio e anioni cloruro, sebbene rappresentino un legame più debole di quelli covalenti, sono in grado di mantenerli fortemente uniti nel solido; e questo fatto si riflette nell'alto punto di fusione del sale (801ºC).
L'ultimo dei tipi di legame chimico è metallico. Questo può essere trovato su qualsiasi parte in metallo o lega. Si caratterizza per essere speciale e diverso dagli altri, per il fatto che gli elettroni non passano da un atomo all'altro, ma piuttosto viaggiano, come un mare, attraverso il cristallo dei metalli.
Così, gli atomi metallici, per dire il rame, mescolano i loro orbitali di valenza l'uno con l'altro per formare bande di conduzione; attraverso i quali gli elettroni (s, p, do f) passano intorno agli atomi e li tengono saldamente uniti.
A seconda del numero di elettroni che passano attraverso il cristallo metallico, degli orbitali previsti per le bande e dell'impacchettamento dei suoi atomi, il metallo può essere morbido (come i metalli alcalini), duro, lucido o un buon conduttore di elettricità e caldo.
La forza che tiene insieme gli atomi dei metalli, come quelli che compongono l'omino nell'immagine e il suo laptop, è maggiore di quella dei sali.
Ciò può essere verificato sperimentalmente perché i cristalli dei sali possono essere divisi in più metà prima di una forza meccanica; mentre una parte metallica (costituita da piccolissimi cristalli) si deforma.
I seguenti quattro composti comprendono i tipi di legami chimici spiegati:
-Fluoruro di sodio, NaF (Na+F-): ionico.
-Sodio, Na: metallico.
-Fluoro, FDue (F-F): covalente non polare, dovuto al fatto che c'è un ΔE nullo tra i due atomi perché sono identici.
-Acido fluoridrico, HF (H-F): covalente polare, poiché in questo composto il fluoro è più elettronegativo dell'idrogeno.
Ci sono composti, come la vitamina B.12, che possiede legami covalenti sia polari che ionici (nella carica negativa del suo gruppo fosfato -PO4--). In alcune strutture complesse, come i cluster metallici, tutti questi tipi di collegamenti possono persino coesistere.
La materia offre in tutte le sue manifestazioni esempi di legami chimici. Dalla pietra sul fondo di uno stagno e l'acqua che lo circonda, ai rospi che gracidano ai suoi bordi.
Sebbene i legami possano essere semplici, il numero e la disposizione spaziale degli atomi nella struttura molecolare lasciano il posto a una ricca diversità di composti..
Qual è l'importanza del legame chimico? L'incalcolabile numero di conseguenze che l'assenza del legame chimico provocherebbe ne evidenzia l'enorme importanza in natura:
-Senza di esso, i colori non esisterebbero, poiché i suoi elettroni non assorbirebbero la radiazione elettromagnetica. Le particelle di polvere e ghiaccio presenti nell'atmosfera scomparirebbero, e quindi il colore blu del cielo diventerebbe scuro..
-Il carbonio non potrebbe formare le sue infinite catene, da cui derivano trilioni di composti organici e biologici.
-Le proteine non potevano nemmeno essere definite nei loro amminoacidi costituenti. Gli zuccheri e i grassi scomparirebbero, così come qualsiasi composto di carbonio negli organismi viventi.
-La Terra rimarrebbe senza atmosfera, perché in assenza di legami chimici nei suoi gas, non ci sarebbe forza per tenerli insieme. Né ci sarebbe la minima interazione intermolecolare tra di loro.
-Le montagne potrebbero scomparire, perché le loro rocce e minerali, sebbene pesanti, non potrebbero contenere i loro atomi imballati nelle loro strutture cristalline o amorfe..
-Il mondo sarebbe costituito da atomi solitari incapaci di formare sostanze solide o liquide. Ciò comporterebbe anche la scomparsa di tutte le trasformazioni della materia; cioè, non ci sarebbe alcuna reazione chimica. Solo gas fugaci ovunque.
Nessun utente ha ancora commentato questo articolo.