9.1: Tipi di legami chimici

Le teorie del legame chimico furono sperimentate dal chimico americano Gilbert N. Lewis. Svilupp un modello chiamato modello di Lewis per spiegare il tipo e la formazione di diversi legami. Il legame chimico fondamentale per la chimica; spiega come gli atomi o gli ioni si legano insieme per formare le molecole. Spiega perch alcuni legami sono forti e altri sono deboli, o perch un carbonio si lega a due ossigeni e non a tre; perch l'acqua H_2O e non H_4O.

Legami ionici

Gli ioni sono atomi o molecole dotati di carica elettrica. Un catione (uno ione positivo) si forma quando un atomo neutro perde uno o pi elettroni dal suo guscio di valenza, mentre un anione (uno ione negativo) si forma quando un atomo neutro acquista uno o pi elettroni nel suo guscio di valenza. I composti formati da ioni sono chiamati composti ionici (o sali) e i loro ioni costituenti sono tenuti insieme da legami ionici: le forze elettrostatiche di attrazione tra cationi e anioni con carica opposta.

Le propriet dei composti ionici fanno luce sulla natura dei legami ionici. I solidi ionici presentano una struttura cristallina e tendono ad essere rigidi e fragili; tendono anche ad avere punti di fusione e di ebollizione elevati, il che suggerisce che i legami ionici sono molto forti. I solidi ionici sono anche cattivi conduttori di elettricit per lo stesso motivo: la forza dei legami ionici impedisce agli ioni di muoversi liberamente nello stato solido. La maggior parte dei solidi ionici, tuttavia, si dissolve facilmente in acqua. Una volta disciolti o fusi, i composti ionici sono ottimi conduttori di elettricit e calore perch gli ioni possono muoversi liberamente.

Legami covalenti

Gli atomi non metallici formano spesso legami covalenti con altri atomi non metallici. I legami covalenti si formano quando gli elettroni sono condivisi tra gli atomi e sono attratti dai nuclei di entrambi gli atomi. Se gli atomi che formano un legame covalente sono identici, come in H_2, Cl_2 e altre molecole biatomiche, allora gli elettroni nel legame devono essere condivisi equamente. Questo viene definito legame covalente puro. Quando gli atomi legati da un legame covalente sono diversi, gli elettroni di legame sono condivisi, ma non pi equamente. Invece, gli elettroni di legame sono pi attratti da un atomo che dall’altro, dando luogo ad uno spostamento della densit elettronica verso quell’atomo. Questa distribuzione ineguale di elettroni nota come legame covalente polare.

I composti che contengono legami covalenti presentano propriet fisiche diverse rispetto ai composti ionici. Poich l’attrazione tra le molecole, che sono elettricamente neutre, pi debole di quella tra ioni elettricamente carichi, i composti covalenti hanno generalmente punti di fusione e di ebollizione molto pi bassi rispetto ai composti ionici. Inoltre, mentre i composti ionici sono buoni conduttori di elettricit quando disciolti in acqua, la maggior parte dei composti covalenti sono insolubili in acqua; essendo elettricamente neutri, sono cattivi conduttori di elettricit in qualsiasi stato.

Legami metallici

I legami metallici si formano tra due atomi di metallo. Un modello semplificato per descrivere il legame metallico stato sviluppato da Paul Drü chiamato "modello del mare di elettroni". Basato sulle basse energie di ionizzazione dei metalli, il modello afferma che gli atomi metallici perdono facilmente i loro elettroni di valenza e diventano cationi. Questi elettroni di valenza creano un pool di elettroni delocalizzati che circondano i cationi sull'intero metallo.

I solidi metallici, come i cristalli di rame, alluminio e ferro. sono formati da atomi di metallo e tutti presentano un'elevata conduttivit termica ed elettrica, lucentezza metallica e malleabilit. Molti sono molto duri e piuttosto forti. A causa della loro malleabilit (la capacit di deformarsi sotto pressione o martellamento), non si frantumano e, quindi, costituiscono utili materiali da costruzione. I punti di fusione dei metalli variano ampiamente. Il mercurio un liquido a temperatura ambiente e i metalli alcalini fondono al di sotto dei 200 °C. Anche diversi metalli post-transizione hanno punti di fusione bassi, mentre i metalli di transizione fondono a temperature superiori a 1000 °C. Queste differenze riflettono le differenze nella forza del legame metallico tra i metalli.

Questo testo adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 7.1: Ionic Bonding, Openstax, Chemistry 2e, Section 7.2: Covalent Bonding, and Openstax, Chemistry 2e, Section 10.5: The Solid State of Matter.

I legami chimici sono essenziali affinché gli atomi formino una varietà di composti, come sale, acqua o leghe. Comprendere la formazione dei legami chimici, o più specificamente l'attrazione tra gli atomi, aiuterà a capire e prevedere il comportamento molecolare. Il nucleo di un atomo è costituito da neutroni e protoni carichi positivamente, circondati dagli elettroni carichi negativamente.

Quando due atomi si avvicinano l'uno all'altro, gli elettroni di un atomo sono attratti dal nucleo dell'altro atomo e viceversa. Allo stesso tempo, i nuclei di entrambi gli atomi si respingono, così come gli elettroni di ciascun atomo. Quando queste interazioni portano a una riduzione netta dell'energia potenziale, si forma un legame chimico.

Esistono tre tipi di legami chimici. Un metallo e un non metallo, come il sodio e il cloro, formano un legame ionico. I metalli hanno basse energie di ionizzazione che consentono una più facile rimozione degli elettroni dall'atomo.

Questi elettroni sono prontamente accettati dai non metalli dati la loro elevata affinità e il desiderio di ottenere un guscio di valenza completo. Pertanto, il metallo trasferisce gli elettroni al non metallo formando un catione e un anione. Queste particelle cariche si attraggono a vicenda per creare un legame ionico.

Il secondo tipo sono i legami covalenti formati tra due non metalli, come un atomo di carbonio e due di ossigeno che formano anidride carbonica. I non metalli hanno energie di ionizzazione elevate che rendono difficile rimuovere e trasferire elettroni di valenza da un atomo all'altro, quindi gli elettroni sono condivisi tra gli atomi. Questi elettroni condivisi interagiscono con entrambi i nuclei degli atomi nel legame e abbassano l'energia potenziale.

L'ultimo tipo è il legame metallico formato fra due atomi di un metallo. Gli atomi del metallo perdono facilmente gli elettroni di valenza, formando un pool di elettroni secondo il più semplice modello del mare di elettroni. Gli elettroni di valenza si delocalizzano sull'intero metallo e gli atomi del metallo carichi positivamente sono attratti da questo pool di elettroni, che tiene insieme gli atomi stessi.