il legame covalente (versione 0.1)

il legame covalente.

Il legame covalente è un legame che interessa gli atomi dei non metalli, cioè gli atomi con un' elevata energia di ionizzazione, che quindi cederanno difficilmente degli elettroni per formare un legame ionico.

Nel legame covalente gli atomi condividono gli elettroni, che tenderanno a posizionarsi principalmente tra i due nuclei facendo così da colla tra i due atomi (i nuclei sono positivi mentre gli elettroni sono negativi ).

In questo video in inglese, ma piuttosto semplice da capire viene rappresentata la differenza tra i meccanismi di formazione del legame ionico e quello covalente. 

L'atomo di idrogeno possiede un solo elettrone su un orbitale sferico. Quando due atomi di idrogeno si avvicinano entrano in gioco le seguenti forze: una forza repulsiva tra i nuclei dei due atomi. È una attrattiva tra nucleo e elettrone dell'altro atomo.

Quando i due atomi sono distanti le forze attrattive sono maggiori, man mano che i due atomi si avvicinano cresce la forza repulsiva sino a quando non ci sarà un equilibrio, le due forze uguali e i due atomi tenderanno a permanere in tale situazione, quindi a restare a tale distanza. Si parla di legame covalente semplice quando due atomi condividono una sola coppia di elettroni, come per esempio la molecola di idrogeno che abbiamo appena visto. Ma esistono anche i legami doppi per esempio la molecola di ossigeno, costituita da due atomi di ossigeno, che condividono quattro elettroni.. Nei legami tripli invece vengono condivise sei elettroni per esempio nella molecola di azoto.

Legame covalente polare e omeopolare.

Per effettuare la discussione è necessario prima definire l'elettronegatività. Essa è una misura della capacità che un atomo possiede di attirare a se gli elettroni quando è legato in un legame chimico.

 L'elettronegatività possiede il seguente andamento nella tavola periodica, cresce dal basso verso l'alto e da sinistra verso destra e massimo per il Fluoro.

Noi abbiamo visto il caso della molecola di Idrogeno, in essa i due atomi di H attraggono in ugual misura gli elettroni di legame che quindi tenderanno a passare lo stesso tempo atorno ai due nuclei. Mentre se lo stesso atomo di H è legato covalentemente a un atomo di Cloro, quest'ultimo è notevolmente più elettronegativo è attirerà a se maggiormente gli elettroni, che passeranno la maggior parte del loro tempo più in prossimità del Cloro. Il cloro avrà quindi una carica parziale negativa, indicata dalla lettera greca delta -, mentre l'idrogeno avrà una carica parziale positiva, indicata dalla lettera greca delta. Le molecole interessate da un legame covalente polare vengono chiamate dipoli, i dipoli come abbiamo visto possiedono una divisione spaziale delle cariche, una zona sarà parzialmente positiva mentre l'altra sarà parzialmente negativa. Quindi ricapitolando formano dei legami omeopolari quelli atomi con una bassa differenza di elettronegatività. L'elettronegatività è tabellata in alcune tavole periodiche, quando la differenza di elettronegatività tra i due atomi è inferiore 0,4 si dirà che siamo di fronte a loro un legame covalente puro. Se la differenza di l'elettronegatività è compresa tra 0,4 e 1,9 si dirà che siamo di fronte a un legame covalente polare, se la differenza di elettronegatività tra i due atomi è superiore a 1,9 si forma un legame ionico.

Il legame dativo è un caso particolare di legame covalente, nel quale entrambi gli elettroni condivisi appartengono allo stesso atomo. L'atomo che fornisce gli elettroni è detto donatore quello che li riceve è detto accettore.

Il legame ionico

L'energia di ionizzazione e l'affinità elettronica.

L'energia di ionizzazione è quell'energia che bisogna fornire per allontanare l'elettrone più esterno da un atomo allo stato gassoso.

Atomo + Energia ---> Ione positivo( o catione) + elettrone

A + E ---> A⁺ + e

All'interno della tavola periodica, l'energia di ionizzazione aumenta dal basso verso l'alto nei gruppi e da sinistra a destra nei periodi. Si ricorda che "i gruppi" sono le colonne della tavola periodica mentre " i periodi" sono le righe. Si vuole rimarcare che il gruppo con la massima energia di ionizzazione è l'ottavo gruppo, quello dei gas nobili. I gas nobili in generale non danno vita ad alcuna reazione chimica.

L'affinità elettronica invece è l'energia che cede un atomo quando acquista un elettrone.

Atomo + e ---> Ione negativo(o anione) + Energia

A + e ---> A^- + E

Il suo andamento della tavola periodica è molto simile a quello dell'energia di ionizzazione ma ne differisce perché è massima nel settimo gruppo, quello degli alogeni (fluoro, cloro, bromo, iodio).

I legami chimici.

In natura è difficile trovare delle sostanze formate da specie sotto forma di atomi “individuali”, l'unica eccezione, come sopra accennato è quella dei gas nobili. Per esempio il Sodio è abbastanza diffuso in natura, ma difficilmente si trova come atomo puro allo stato gassoso o nello stato di metallo, ciò avviene perché il sodio è “poco stabile”, reagisce con facilita. Il sodio in natura si trova principalmente nello stato di ione disciolto in acqua ( negli oceani), stato in cui è molto stabile.

Tutti gli atomi esistenti in natura, ad eccezione dei gas nobili, tendono a reagire per formare dei composti perché così facendo la somma delle energie possedute dagli atomi coinvolti nel legame diminuisce. Quindi gli atomi sono più stabili quando hanno una minore energia. Nel passare da un alto livello di energia alto ad uno più basso, naturalmente, gli atomi cedono energia all'ambiente circostante, per esempio sappiamo benissimo che anche una piccolissima particella di sodio metallico lasciata cadere in acqua è capace di scaldare e far evaporare una parte dell'acqua contenuta nel contenitore, forma dei vortici e esplode.

Perché si formano gli ioni.

Un atomo diventa uno ione quando guadagna o perde degli elettroni. Gli ioni che si formano quando un atomo perde elettroni sono carichi positivamente perché hanno più protoni nel nucleo che elettroni negli orbitali. Gli ioni carichi positivamente vengono chiamati cationi. Gli ioni che si formano quando un atomo acquista degli elettroni sono carichi negativamente perché hanno più elettroni negli orbitali che protoni nel nucleo, essi prendono il nome di anioni.

Ti starai chiedendo ormai quali sono gli atomi che acquistano gli elettroni e quali sono quelli che invece li cedono e quanti elettroni cedono e acquistano questi atomi e il perché di questo scambio di elettroni.

La formazione degli anioni è dunque causata, come spiegato sopra, da una tendenza naturale degli atomi a reagire per formare dei composti che possiedono globalmente una minore energia rispetto ai composti di partenza. Gli anioni hanno una minore energia degli atomi di partenza, dunque saranno più stabili.Qualsiasi legame chimico avviene per soddisfare tale tendenza.

L'affinità elettronica del sodio è +52,8 kJ/mole. Questo ci dice che noi dobbiamo fornire energia al atomo di sodio perché questo accetti un elettrone extra. Portare il sodio a prendere un ulteriore elettrone esterno implicherebbe un aumento della sua energia e perciò ciò non succede. Ribadisco che le trasformazioni spontanee, che possono succedere in natura, sono accompagnate da una diminuzione di energia. Senza la diminuzione di energia non ci sarebbe alcuna ragione per cui una trasformazione avvenga.

Ecco la divisione della tavola periodica tra metalli e non metalli(vedi anche la tavola periodica nel libro a riguardo).

Gli atomi indicati come metalli sulla tavola periodica sono quelli sulla sinistra, sono atomi grandi e hanno basse energie di ionizzazione e basse affinità elettroniche. Perciò, essi perderanno elettroni molto facilmente, ma difficilmente ne guadagneranno. Gli atomi indicati come non metalli, quelli sulla destra della tavola, sono piccoli e hanno una grande energia di ionizzazione e una grande affinità elettronica, quindi non perderanno elettroni, ma ne acquisteranno. I gas nobili hanno alte energie di di ionizzazione e basse affinità elettroniche perciò essi non acquisteranno né cederanno elettroni. Con poche eccezioni si può concludere che i metalli tendono a perdere elettroni, diventano cationi e i non metalli tendono a guadagnare elettroni e a diventare anioni. I gas nobili, invece, non reagiscono , restano gas nobili.

Le collisioni che avvengono tra un atomo e ciascun altro giustificano il passaggio di uno o più elettroni dagli atomi dei metalli a quelli dei non metalli. Queste collisioni alla temperatura atmosferica sono sufficienti per rimuovere un elettrone dall'atomo con la bassa energia di ionizzazione è quel elettrone viene immediatamente assorbito dall'atomo con un'alta affinità elettronica. Il non metallo acquistando l'elettrone rilascia dell'energia(Entalpia) all'ambiente. Il trasferimento dell'elettrone è accompagnato da una diminuzione della entalpia del sistema composto dal catione e dal anione. Questo trasferimento di elettroni produce ioni positivi e negativi che saranno sempre incollati l'uno all'altro a causa dell'attrazione elettrostatica. Le collisioni tra atomi che tendono a perdere elettroni(metalli) e atomi che tendono ad acquistarli (non metalli) sono spesso sufficienti a spiegare il trasferimento di elettroni tra gli atomi.

Il legame ionico

Il processo del trasferimento di un elettrone dall'atomo di sodio a quello di cloro come mostrato nel disegno a fianco produce ioni di carica opposta i quali sono incollati insieme a causa della attrazione elettrostatica. L'attrazione elettrostatica e l'attrazione fra cariche di segno opposto. L'attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta e chiamata legame ionico.  Lo stesso è vero per lo ione di cloro. Questi ioni sono chimicamente più stabili degli atomi che li hanno prodotti.
Puoi anche vedere nel disegno che prima della collisione, l'atomo del sodio è più grande di quello di cloro, ma dopo il trasferimento di elettroni lo ione di sodio è adesso più piccolo di quello di cloro. Lo ione di sodio è più piccolo quello di neon perché anche se ne possiede la stessa configurazione elettronica, ha anche più protoni nel nucleo. Lo ione di cloro è più grande di quello dell'atomo di argon perché nonostante abbiano la stessa configurazione elettronica, esso ha un protone nel nucleo in meno rispetto all'argon. Lo ione di sodio ha adesso un'alta energia di ionizzazione e una bassa affinità elettronica(come un gas nobile) quindi non c'è alcuna ragione perché lo ione reagisca ulteriormente.

Riassumendo

Il legame ionico avviene tra atomi che hanno una bassa energia di ionizzazione, metalli, e atomi che hanno un'alta affinità elettronica, non metalli. I metalli, avendo una bassa energia di ionizzazione possono perdere con facilità gli elettroni di valenza, quelli appartenenti al livello energetico più esterno, e formano cosi dei cationi( ioni carichi positivamente), mentre i non metalli a causa della loro elevata affinità elettronica acquistano con facilità gli elettroni persi dai metalli dando vita cosi a degli anioni (ioni carichi negativamente). Il legame ionico è un legame di natura elettrostatica tra gli ioni di carica diversa che si sono cosi formati. E' un legame non direzionale che non da vita a molecole ma a solidi ionici, perché ogni ione attrae ogni ione di segno opposto che si trova in prossimità.

Se studiammo il comportamento degli atomi di zolfo e di sodio , il processo sarà solo leggermente diverso. Gli atomi di sodio hanno un solo elettrone nel loro livello energetico più esterno e di conseguenza possono perdere solo quest'elettrone. Gli atomi di zolfo, comunque, hanno bisogno di due elettroni per completare il loro livello energetico più esterno. In questo caso sarebbe necessario che due atomi di sodio collidessero contro uno di zolfo per avviare la reazione. Ogni atomo di sodio contribuisce fornendo un elettrone all'atomo di zolfo, che così acquisisce due elettroni. I due atomi di sodio diventano due cationi di sodio Na⁺ mentre quello di zolfo diventa un anione S2-. L'attrazione elettrostatica incolla i 2 ioni di sodio a quello di zolfo.

Puoi anche vedere nel disegno che prima della collisione, l'atomo del sodio è più grande di quello di cloro, ma dopo il trasferimento di elettroni lo ione di sodio è adesso più piccolo di quello di cloro. Lo ione di sodio è più piccolo quello di neon perché anche se ne possiede la stessa configurazione elettronica, ha anche più protoni nel nucleo. Lo ione di cloro è più grande di quello dell'atomo di argon perché nonostante abbiano la stessa configurazione elettronica, esso ha un protone nel nucleo in meno rispetto all'argon. Lo ione di sodio ha adesso un'alta energia di ionizzazione e una bassa affinità elettronica(come un gas nobile) quindi non c'è alcuna ragione perché lo ione reagisca ulteriormente.