9.3:
Legame ionico e trasferimento di elettroni
Gli ioni sono atomi o molecole che portano una carica elettrica. Un catione (uno ione positivo) si forma quando un atomo neutro perde uno o più elettroni dal suo guscio di valenza, e un anione (uno ione negativo) si forma quando un atomo neutro guadagna uno o più elettroni nel suo guscio di valenza. I composti composti da ioni sono chiamati composti ionici (o sali), e i loro ioni costituenti sono tenuti insieme da legami ionici: forze elettrostatiche di attrazione tra formazioni e anioni caricati in modo opposto.
Le proprietà dei composti ionici fanno luce sulla natura dei legami ionici.
Molti elementi metallici hanno un potenziale di ionizzazione relativamente basso e perdono facilmente elettroni. Questi elementi giacciono a sinistra in un periodo o vicino alla parte inferiore di un gruppo sulla tavola periodica. Gli atomi non metallici hanno affinità di elettroni relativamente elevate e quindi guadagnano facilmente elettroni persi dagli atomi metallici, riempiendo così i loro gusci di valenza. Gli elementi non metallici si trovano nell’angolo superiore destro della tavola periodica.
Poiché tutte le sostanze devono essere neutre dal punto di vista elettrico, il numero totale di cariche positive sui formazioni di un composto ionico deve essere uguale al numero totale di cariche negative sui suoi anioni. La formula di un composto ionico rappresenta il più semplice rapporto tra il numero di ioni necessario per dare un numero identico di cariche positive e negative.
È importante notare, tuttavia, che la formula per un composto ionico non rappresenta la disposizione fisica dei suoi ioni. Non è corretto fare riferimento alla “molecola” di cloruro di sodio (NaCl) perché non esiste un singolo legame ionico, di per sé, tra una coppia specifica di ioni sodio e cloruro. Le forze attrattive tra gli ioni sono isotrope – le stesse in tutte le direzioni – il che significa che ogni particolare ione è ugualmente attratto da tutti gli ioni vicini di carica opposta. Ciò si traduce nel fatto che gli ioni si sporcono in una struttura reticolare tridimensionale strettamente legata. Il cloruro di sodio, ad esempio, consiste in una disposizione regolare di un numero uguale di Na+ zioni e Cl– anioni. La forte attrazione elettrostatica tra Na+ e Cl– ioni li tiene strettamente insieme in NaCl solido. Richiede 769 kJ di energia per dissociare una talpa di NaCl solido in ioni Na+ e Cl gassosi separati.
Quando si forma un catione, un atomo dell’elemento del gruppo principale tende a perdere tutti i suoi elettroni di valenza, assumendo così la struttura elettronica del gas nobile che lo precede nella tavola periodica.
La maggior parte degli anioni monatomici si forma quando un atomo neutro nonmetale guadagna abbastanza elettroni da riempire completamente i suoi orbitali s e p esterni, raggiungendo così la configurazione elettronica del successivo gas nobile. Quindi, è semplice determinare la carica su uno ione così negativo: la carica è uguale al numero di elettroni che devono essere guadagnati per riempire gli orbitali s e p dell’atomo genitore. L’ossigeno, ad esempio, ha la configurazione elettronica 1s2222p4 ,mentrel’anione ossigeno ha la configurazione elettronica del gas nobile neon (Ne), 1s22s22p6. I due elettroni aggiuntivi necessari per riempire gli orbitali di valenza danno allo ione ossido la carica di 2– (O2–).
Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 7.3: Ionic Bonding.
I legami ionici sono formati dal trasferimento di elettroni dai metalli ai non metalli. In confronto ai legami covalenti, in cui gli elettroni sono condivisi, nei legami ionici i metalli tendono a perdere e i non metalli tendono ad accettare gli elettroni. Ma perché?
La configurazione elettronica più stabile di un atomo è con un ottetto completo. Il raggiungimento di questo stato, insieme all’abbassamento delle energie potenziali, è una forza trainante importante per la formazione dei legami. Ma come prevedere quando gli elettroni verranno trasferiti e non condivisi?
Per questo, esaminiamo le energie di ionizzazione e le affinità degli elettroni degli atomi. Nella tavola periodica, i metalli del blocco s hanno basse energie di ionizzazione. Ciò facilita la perdita più rapida di elettroni, per raggiungere un ottetto, formando contemporaneamente cationi.
Al contrario, i non metalli del blocco p, ad eccezione dei gas nobili, hanno elevate affinità per gli elettroni e li accettano prontamente per formare anioni. I cationi e gli anioni con carica opposta sperimentano forti interazioni elettrostatiche, che si attraggono a vicenda per formare legami ionici. I composti ionici spesso formano strutture cristalline dure e ben definite con punti di fusione elevati, a causa della forte attrazione elettrostatica tra gli ioni.
Considerate il fluoruro di litio, un composto ionico a base di litio e fluoro. Quando il litio perde un elettrone per diventare un catione di litio con un duetto, l’elettrone viene assorbito dal fluoro, per formare l’anione con un ottetto. Secondo la legge di Coulomb, queste due particelle cariche sono attratte l’una dall’altra per formare fluoruro di litio, un composto neutro.
Il modello di Lewis può essere utilizzato per descrivere e prevedere la formula chimica dei composti ionici. Il simbolo di Lewis mostra le cariche nell’angolo in alto a destra e raffigura anioni e cationi con il simbolo scritto fra parentesi. Considerate il cloruro di stronzio, un sale comunemente usato per ottenere il colore rosso brillante nei fuochi d’artificio.
Il simbolo di Lewis per lo stronzio mostra due elettroni spaiati mentre il cloro possiede un elettrone spaiato. Lo stronzio deve perdere due elettroni, mentre il cloro deve guadagnare un elettrone per raggiungere un ottetto. Pertanto, un catione di stronzio si lega a due anioni cloruro, nel rapporto di 1:2.
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