Perché gli atomi si legano insieme?

Reazioni combinate

Le reazioni che producono composti chimici possono avvenire in due modi, a seconda degli atomi:

1. Attraverso interazioni repulsive , che sono una conseguenza della sovrapposizione dei gusci elettronici e dell’interazione elettrostatica delle cariche unipolari.
2. Attraverso l’azione di forze attrattive causate dall’interazione elettrostatica di cariche dissimili, come le interazioni tra elettroni e nuclei atomici o quelle risultanti da cambiamenti nella distribuzione delle densità di carica.

Si scopre che in natura esiste la tendenza a lottare per ottenere un’energia minima . Ciò vale anche per gli atomi, il che si riflette direttamente proprio nella loro produzione di legami chimici : gli atomi si combinano se è energeticamente vantaggioso per loro. La maggior parte degli elementi lega naturalmente i propri atomi ad altri o tra loro.

Legame chimico

Come accennato in precedenza, gli atomi possono combinarsi con atomi dello stesso o di un altro elemento chimico . Un legame chimico è chiamato interazione tra atomi che li rende permanentemente legati insieme. Gli elettroni di valenza , presenti sul guscio più esterno degli atomi, sono coinvolti nella formazione dei legami chimici.

Legame chimico nell’idrogeno a due atomi H ₂

L’idrogeno è un elemento chimico e una sostanza i cui atomi non esistono mai allo stato libero. I suoi atomi sono sempre accoppiati da uno specifico legame chimico . Implica che ciascuno degli atomi di idrogeno presenti ceda un elettrone di valenza da condividere. Ciò consente a ciascuno di essi di raggiungere lo stato energetico per sé più favorevole e di ottenere la configurazione elettronica del gas nobile a lui più vicino nella tavola periodica, ovvero l’elio. Tali elettroni condivisi sono noti come coppia di elettroni condivisi o coppia di legame elettronico. Questo tipo di legame che si verifica tra gli atomi di idrogeno può essere rappresentato simbolicamente come H:H.

Legame covalente

Un eccellente esempio della presenza di un legame covalente è l’idrogeno a due atomi precedentemente descritto. Condivide una coppia di elettroni comune, che è specifica per questo tipo di legame. Implica la comunanza degli elettroni e la formazione di coppie di elettroni leganti che appartengono allo stesso modo o in modo diverso a entrambi gli atomi.

Legame covalente non polare

Tali legami covalenti, in cui la coppia di elettroni di legame appartiene equamente a entrambi gli atomi, sono anche chiamati legami covalenti atomici o non polari e si formano principalmente tra atomi dello stesso non metallo. Tali strutture, che si formano mediante la formazione di legami covalenti non polari, sono chiamate molecole omoatomiche.

Elettroni delle molecole di cloro biatomico Cl ₂

Un legame covalente non polare è anche caratteristico della molecola di cloro , in cui due atomi di cloro condividono ciascuno un elettrone di valenza, producendo un ottetto elettronico e una configurazione elettronica di argon. Se si considerano gli elettroni presenti su entrambi gli atomi di cloro della molecola, si vede che oltre alla coppia elettronica legante ci sono anche elettroni che non sono direttamente coinvolti nella formazione del legame chimico. Tali elettroni o coppie di elettroni sono chiamati elettroni non leganti.

Come è strutturata la molecola di azoto?

Si scopre che i non metalli possono condividere più di una coppia di elettroni . Ad esempio, una molecola di azoto è composta da due atomi di azoto. Ciascuno di essi ha cinque elettroni di valenza sull’ultimo livello, rendendo necessario avere fino a tre elettroni aggiuntivi per formare un ottetto. Per ottenere la configurazione elettronica desiderata, ogni atomo di azoto cede tre elettroni da condividere. Ciò si traduce in tre coppie di elettroni di legame tra gli atomi . Un legame così specifico ha il suo nome: il triplo legame. Oltre alle coppie di elettroni condivise, ciascun atomo di azoto ha una coppia di elettroni non leganti. Il triplo legame è il massimo possibile che gli atomi possano formarsi. In natura non sono stati trovati composti chimici caratterizzati dalla presenza di più di tre legami nella molecola.

E le molecole eteroatomiche?

Come gli atomi appartenenti allo stesso elemento chimico, gli atomi di diversi non metalli sono in grado di legarsi tra loro attraverso la produzione di coppie di elettroni di legame comuni. L’esempio più noto di tale struttura è l’acido cloridrico, un composto chimico formato dalla combinazione di atomi di idrogeno e cloro. Ciascuno degli atomi che compongono una molecola ha bisogno di un elettrone per raggiungere la configurazione elettronica più favorevole per se stesso.

Legame covalente nella molecola di acido cloridrico

Per ottenere la configurazione elettronica dei gas nobili più vicini, sia l’idrogeno che il cloro donano un elettrone di valenza ciascuno per produrre una coppia di elettroni di legame. Questo trattamento si traduce in due configurazioni elettroniche permanenti, con l’idrogeno che adotta la configurazione dell’elio e l’atomo di cloro che adotta la configurazione dell’argon. Pertanto, sui loro gusci di valenza si trovano rispettivamente un doppietto e un ottetto elettronico . Tuttavia, qui possiamo osservare un’interazione leggermente diversa rispetto al caso della molecola di idrogeno: si scopre che la coppia di elettroni generata tra gli atomi di idrogeno e di cloro non appartiene ugualmente a loro. Viene spostato verso quello con la maggiore capacità di attrarre elettroni, in questo caso l’atomo di cloro, quindi la coppia di elettroni leganti viene spostata verso di esso. Anche questo tipo di legame è un legame covalente, ma viene definito anche "polare".

Legame covalente polare

Tale legame si forma tra atomi appartenenti a diversi non metalli. Eseguono il movimento caratteristico di un legame covalente : condividono alcuni dei loro elettroni, ma rispetto a un legame covalente non polare, le coppie di elettroni prodotte in questo caso vengono spostate verso uno degli atomi. Quello che attrae più fortemente gli elettroni. Di solito è l’atomo che ha il maggior numero di elettroni nel suo guscio di valenza. È sempre l’atomo che ha l’elettronegatività più elevata.

Struttura elettronica della molecola di ammoniaca

L’ammoniaca è una molecola composta da un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno. Ha un legame covalente polare. Sapendo che l’azoto appartiene al gruppo 15 della tavola periodica degli elementi , sappiamo che ha cinque elettroni di valenza. Al contrario, ogni atomo di idrogeno ha un solo elettrone. Per una configurazione elettronica permanente, l’azoto necessita di tre elettroni, che possono essere forniti dalla presenza di atomi di idrogeno. Ciascuno produce una coppia di elettroni di legame con un atomo di azoto. Ciò garantisce che ciascun atomo presente abbia la configurazione elettronica più favorevole per sé. Poiché l’atomo di azoto ha una maggiore capacità di attrarre gli elettroni rispetto all’atomo di idrogeno, tutte e tre le coppie di elettroni leganti vengono spostate proprio verso di esso.

Struttura elettronica della molecola di anidride carbonica

L’atomo di carbonio è nel gruppo 14 della tavola periodica e quindi ha quattro elettroni di valenza sul suo guscio di valenza. Al contrario, ciascuno dei due atomi di ossigeno ha sei elettroni di valenza. Poiché gli atomi attuali lottano solo per ottenere ottetti, gli atomi di ossigeno rinunciano a due elettroni da condividere e l’atomo di carbonio condivide due elettroni con ciascuno, per un totale di tutti e quattro gli elettroni di valenza da condividere. Ciò si traduce in ben quattro coppie di elettroni leganti, due tra l’atomo di carbonio e ciascun atomo di ossigeno. Confrontando i valori di elettronegatività degli atomi di carbonio e di ossigeno, sappiamo che è l’ossigeno a mostrare una maggiore predisposizione ad attrarre gli elettroni. Pertanto, tutte e quattro le coppie di elettroni leganti vengono spostate verso gli atomi di ossigeno.

Come verificare il tipo di legame presente in una molecola?

Un fattore chiave nel determinare il tipo di legame presente in una molecola è l’elettronegatività dei suoi costituenti atomici. È la capacità degli atomi di attrarre gli elettroni e, quindi, anche nel caso del legame covalente, la capacità di attrarre tra loro le coppie di elettroni leganti. Quanto maggiore è il valore dell’elettronegatività, tanto più fortemente l’atomo attrae gli elettroni. Inoltre, la differenza tra le elettronegatività degli atomi presenti nella molecola ci dice con quale tipo di legame chimico abbiamo a che fare. Se in una molecola la differenza di elettronegatività degli atomi che la compongono, indicata come ΔE, è pari a 0,0 o non superiore a 0,4, il legame è covalentemente non polarizzato. Se ΔE è compreso tra 0,4 e 1,6, nella molecola è presente un legame covalente polare. Se invece la differenza nell’elettronegatività degli atomi supera 1,6 ciò indica la presenza di un legame ionico.