Che cos'è il legame chimico?

Il legame chimico si verifica quando due o più atomi si uniscono per formare una molecola. È un principio generale nella scienza che tutti i sistemi cercheranno di raggiungere il loro livello di energia più basso e il legame chimico avverrà solo quando può formarsi una molecola che ha meno energia dei suoi atomi non combinati. I tre principali tipi di legame sono ionici, covalenti e metallici. Tutti implicano che gli elettroni si muovono tra gli atomi in vari modi. Un altro tipo, molto più debole, è il legame idrogeno.

Struttura atomica

Gli atomi sono costituiti da un nucleo contenente protoni caricati positivamente, che è circondato da un numero uguale di elettroni caricati negativamente. Normalmente, quindi, sono elettricamente neutri. Un atomo può, tuttavia, perdere o guadagnare uno o più elettroni, dandogli una carica positiva o negativa. Quando uno ha una carica elettrica, si chiama ione.

Sono gli elettroni che sono coinvolti nel legame chimico. Queste particelle sono disposte in gusci che possono essere considerati esistenti a distanze crescenti dal nucleo. In generale, più lontano dal nucleo sono i gusci, più energia hanno. Esiste un limite al numero di elettroni che possono occupare una shell. Ad esempio, la prima shell più interna ha un limite di due e la shell successiva un limite di otto.

Nella maggior parte dei casi, sono solo gli elettroni nel guscio più esterno che partecipano al legame. Questi sono spesso chiamati elettroni di valenza . Come regola generale, gli atomi tenderanno a combinarsi tra loro in modo tale da raggiungere tutti i gusci esterni completi, poiché queste configurazioni di solito hanno meno energia. Un gruppo di elementi noti come gas nobili - elio, neon, argon, kripton, xeno e radon - hanno già gusci esterni pieni e per questo motivo normalmente non formano legami chimici. Altri elementi cercheranno generalmente di ottenere una struttura di gas nobile dando, accettando o condividendo elettroni con altri atomi.

I legami chimici sono talvolta rappresentati da qualcosa chiamato struttura di Lewis , che prende il nome dal chimico americano Gilbert N. Lewis. In una struttura di Lewis, gli elettroni di valenza sono rappresentati da punti appena fuori dai simboli chimici per gli elementi di una molecola. Mostrano chiaramente dove gli elettroni si sono spostati da un atomo all'altro e dove sono condivisi tra gli atomi.

Legame ionico

Questo tipo di legame chimico ha luogo tra i metalli, che rinunciano facilmente agli elettroni e i non metalli, che sono desiderosi di accettarli. Il metallo fornisce gli elettroni nel suo guscio più esterno incompleto al non-metallo, lasciando quel guscio vuoto in modo che il guscio completo sottostante diventi il ​​suo guscio più esterno. Il non metallo accetta elettroni in modo da riempire il suo guscio più esterno incompleto. In questo modo, entrambi gli atomi hanno raggiunto i gusci esterni completi. Questo lascia il metallo con una carica positiva e il non-metallo con una carica negativa, quindi sono ioni positivi e negativi che si attraggono l'un l'altro.

Un semplice esempio è il fluoruro di sodio. Il sodio ha tre gusci, con un elettrone di valenza nella parte più esterna. Il fluoro ha due gusci, con sette elettroni nella parte più esterna. Il sodio fornisce il suo elettrone di valenza all'atomo di fluoro, in modo che il sodio abbia ora due gusci completi e una carica positiva, mentre il fluoro ha due gusci completi e una carica negativa. La molecola risultante - fluoruro di sodio - presenta due atomi con gusci esterni completi legati insieme dall'attrazione elettrica.

Legame covalente

Gli atomi di non metalli si combinano tra loro condividendo gli elettroni in modo tale da abbassare il loro livello di energia complessivo. Questo di solito significa che, quando combinati, hanno tutti i gusci esterni pieni. Per fare un semplice esempio, l'idrogeno ha un solo elettrone, nel suo primo - e unico - guscio, che lo lascia a corto di un guscio completo. Due atomi di idrogeno possono condividere i loro elettroni per formare una molecola in cui entrambi hanno un guscio esterno pieno.

È spesso possibile prevedere come gli atomi si combineranno tra loro dal numero di elettroni che hanno. Ad esempio, il carbonio ne ha sei, il che significa che ha un primo guscio pieno di due e un guscio più esterno di quattro, lasciandolo quattro a corto di un guscio esterno completo. L'ossigeno ha otto, e così ha sei nel suo guscio esterno - due a corto di un guscio completo. Un atomo di carbonio può combinarsi con due atomi di ossigeno per formare anidride carbonica, in cui il carbonio condivide i suoi quattro elettroni, due con ciascun atomo di ossigeno, e gli atomi di ossigeno a loro volta condividono due dei loro elettroni con l'atomo di carbonio. In questo modo, tutti e tre gli atomi hanno gusci esterni pieni contenenti otto elettroni.

Incollaggio metallico

In un pezzo di metallo, gli elettroni di valenza sono più o meno liberi di muoversi, piuttosto che appartenere a singoli atomi. Il metallo pertanto consiste di ioni caricati positivamente circondati da elettroni mobili, caricati negativamente. Gli ioni possono essere spostati relativamente facilmente, ma sono difficili da staccare, a causa della loro attrazione per gli elettroni. Questo spiega perché i metalli sono generalmente facili da piegare ma difficili da rompere. La mobilità degli elettroni spiega anche perché i metalli sono buoni conduttori di elettricità.

Legame idrogeno

A differenza degli esempi sopra, il legame all'idrogeno implica il legame tra molecole piuttosto che all'interno. Quando l'idrogeno si combina con un elemento che attira fortemente elettroni - come fluoro o ossigeno - gli elettroni vengono allontanati dall'idrogeno. Ciò si traduce in una molecola con una carica positiva complessiva da un lato e una carica negativa dall'altro. In un liquido, i lati positivo e negativo si attraggono l'un l'altro, formando legami tra le molecole.

Sebbene questi legami siano molto più deboli dei legami ionici, covalenti o metallici, sono molto importanti. Il legame all'idrogeno avviene in acqua, un composto contenente due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. Ciò significa che per convertire l'acqua liquida in gas è necessaria più energia di quella che sarebbe altrimenti. Senza legame idrogeno, l'acqua avrebbe un punto di ebollizione molto più basso e non potrebbe esistere come liquido sulla Terra.