Il legame chimico

I legami chimici possono essere suddivisi il due classi:

1. Legami chimici principali che sono quelli che si stabiliscono tra atomi
2. Legami chimici secondari che sono quelli che si stabiliscono tra molecole già formate capaci di esistenza indipendente

I legami principali, che sono quelli che in genere si stabiliscono tra atomi uguali o diversi, sono responsabili o dell’esistenza di singole molecole gassose formate da un numero discreto di atomi o di un numero elevatissimo di atomi uguali o diversi disposti nello spazio tridimensionale. I legami chimici secondari sono responsabili delle forze di coesione che esistono tra le molecole e determinano lo stato di aggregazione solido, liquido o gassoso, che una stessa sostanza, come per esempio l’acqua, può presentare in dipendenza delle condizioni di pressione o di temperatura. Sia i legami chimici principali che quelli secondari, sono di natura elettrica, in quanto essi prendono origine dall’interazione degli elettroni esterni degli atomi o delle molecole interessati al legame. I legami chimici principali possono essere ricondotti a tre tipi:
a)     Legame ionico
b)     Legame covalente
c)     Legame metallico
Al fine di facilitare l’interpretazione dei legami chimici ionico e covalente risulta utile assumere come termine di riferimento l’atomo dei gas nobili stante l’apparente inerzia chimica di tali gas. Infatti, poiché tutti i sistemi materiali tendono spontaneamente al minore contenuto di energia e cioè alla massima stabilità, anche i singoli atomi, debbono manifestare questa tendenza. Quindi dato che la configurazione esterna dei gas nobili è di tipo otteziale s²p⁶  ( ad eccezione dell’elio s²) gli atomi si legano tra loro impegnando gli elettroni più esterni detti di valenza, in quanto tendono ad assumere la configurazione elettronica esterna di un gas nobile. In questo modo ogni atomo interessato al legame acquista nella molecola una maggiore stabilità e quindi minore contenuto di energia. Servendoci delle formule elettroniche proposte da Lewis, gli atomi vengono rappresentati per mezzo dei corrispondenti simboli chimici contornati da tanti puntini quanti sono gli elettroni di valenza, il cui numero coincide con l’ordine di gruppo nel quale l’elemento è collocato ( a questa regola fanno eccezione gli elementi di transizione che hanno un numero variabile di elettroni di valenza. Così, ad esempio il Litio è classificato nel 1° Gruppo, avendo un elettrone di valenza nell’orbitale 2s, può essere rappresentato come: Li ^.
In modo analogo gli altri elementi appartenenti al 2°, 3° 4°, 5°, 6° 7° e 8° gruppo possono essere rappresentati come dalla figura:


Il legame ionico detto anche eteropolare si stabilisce fra almeno due atomi di elementi mediante trasferimento di elettroni, nel senso che un atomo di un elemento cede uno o più elettroni di valenza ad un altro atomo di una elemento diverso che li acquista. L’atomo che perde elettroni diventa ione positivo mentre quello che li acquista diventa ione negativo assumendo entrambi la configurazione esterna di un gas nobile. Ad esempio la formazione del composto ionico cloruro di sodio avviene perché il Sodio ( Z=11) avente configurazione elettronica 1s², 2s², 2p⁶, 3s¹ perdendo l’unico elettrone di valenza, quello sull’orbitale atomico 3s divente uno ione positivo Na⁺ la cui configurazione elettronica esterna è di tipo otteziale (s² p⁶) come quella di un gas nobile, mentre l’atomo di cloro ( Z=17) 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁵ acquistando un elettrone diventa un anione Cl^-  la cui configurazione elettronica è anch’essa di  tipo otteziale  (s² p⁶) come quella di un gas nobile. I due ioni essendo carichi di elettricità di segno contrario, si attraggono reciprocamente con una forza di natura elettrostatica regolata dalla legge di Coulomb.  Il legame ionico si forma prevalentemente fra gli elementi metallici, classificati nel 1° e nel 2° gruppo del sistema periodico, oltre agli elementi di transizione che, avendo un basso potenziale di ionizzazione cedono facilmente gli elettroni di valenza, e gli elementi classificati nel 6° e 7° gruppo del sistema periodico, i quali avendo elevata affinità elettronica, tendono ad assumere facilmente gli elettroni che vengono loro ceduti.  Limitatamente al legame ionico, ad ogni atomo interessato a questo tipo di legame viene assegnata la cosiddetta valenza ionica che è numericamente uguale al numero di elettroni da esso ceduti o acquistati ed è positiva se l’atomo inizialmente neutro ha ceduto un solo ( 1⁺) , oppure due (2⁺), oppure tre (3⁺) e così via elettroni di valenza, è invece negativa se l’atomo, inizialmente neutro ha acquistato un solo (1^-) , oppure due (2^-) oppure tre (3^-) e così via elettroni di valenza. Per esempio, nel composto ionico cloruro di sodio NaCl ogni atomo di sodio ha valenza ionica 1⁺ e ogni atomo di cloro ha valenza ionica 1^-. Nel composto fluoruro di calcio CaF₂ ogni atomo di calcio ha valenza ionica 2⁺ e ogni atomo di fluoro ha valenza ionica 1^-. Poiché il legame ionico coinvolge anche gli elementi di transizione, stante il loro prevalente carattere metallico, gli atomi di questi elementi si legano con altri atomi aventi elevata affinità elettronica, cedendo ad essi un numero variabile di elettroni e pertanto la loro valenza ionica non è costante. Un utile riferimento, comunque, ci può essere fornito dal numero di ossidazione di tali elementi che sono indicati sulla tavola periodica. Così, ad esempio il ferro che ha numero di ossidazione +2 e +3 , avrà anche valenza ionica 2⁺ e 3⁺ e pertanto formerà con il fluoro la cui valenza ionica è 1^- i composti FeF₂ e FeF₃ denominati rispettivamente fluoruro di ferro (II) e fluoruro di ferro (III). I composti ionici sono tutti solidi a temperatura ambiente. Hanno in genere punti di fusione e punti di ebollizione elevati il che implica che le forze che tengono uniti gli ioni sono molto intense. La struttura dei solidi ionici è caratteristica, infatti non si distinguono singole molecole: le posizioni del reticolo cristallino sono occupate da ioni, distribuiti in modo tale che ogni ione positivo è circondato da ioni negativi. Anche quando il composto è allo stato liquido ogni ione è circondato da ioni di segno opposto anche se, per le caratteristiche proprie dei liquidi, gli ioni non sono vincolati a posizioni fisse, ma possono muoversi attraverso il liquido, infatti , i composti ionici allo stato fuso conducono corrente elettrica. Per assumere la configurazione elettronica esterna uguale a quella di un gas nobile, e quindi maggiore stabilità, gli atomi possono legarsi tra loro compartecipando mutuamente gli elettroni di valenza, invece di trasferirli dall’uno all’altro come nel caso del legame ionico. Il legame chimico che in questo modo si stabilisce tra gli atomi, viene detto legame covalente e nelle ordinarie condizioni ambientali porta alla formazione o di singole molecole indipendenti allo stato gassoso, le quali sono formate dall’unione di un numero discreto di atomi uguali o diversi ( ad esempio H₂, O₂, H₂O, NH₃) oppure porta alla formazione di solidi cristallini denominati solidi covalenti come il diamante e la grafite. Poiché il passaggio da legame ionico a legame covalente non avviene in modo netto ma progressivamente, in quasi tutte le molecole nelle quali gli atomi sono legati con legame covalente esiste sempre una certa percentuale di legame ionico. Il caso piuù semplice è quello che porta alla formazione di una molecola di idrogeno a partire da due atomi isolati di questo elemento. Infatti, ogni atomo di idrogeno ( Z=1) la cui formula elettronica di Lewis è la seguente H^. tende ad assumere la configurazione del gas nobile elio ( Z=2) e pertanto necessita di un solo elettrone che però non può essergli ceduto da un altro atomo, il quale ovviamente manifesta la stessa esigenza; se però due atomi isolati di idrogeno si avvicinano l’uno all’altro, e poi si lgano in modo che ognuno di essi condivide con l’altro il proprio elettrone di valenza, tutti e due assumono la configurazione elettronica esterna dell’elio e si forma la molecola biatomica dell’idrogeno H ^{. .} H. nel legame covalente che così si forma, i due elettroni di valenza coinvolti non appartengono né all’uno né all’altro atomo, ma appartengono contemporaneamente a tutti e due gli atomi. E’ di uso comune assegnare ad ogni atomo, legato ad altri atomi con uno o più legami covalenti la cosiddetta valenza covalente che rappresenta il numero di legami covalenti che l’atomo considerato ha stabilito con gli altri atomi costituenti la molecola stessa.