13 CAPITOLO I legami chimici Indice Legami chimici e simboli di Lewis Il legame covalente I legami multipli Il legame covalente polare L’elettronegatività Caratteristiche del legame covalente Il legame covalente dativo Eccezioni alla regola dell’ottetto Strutture di risonanza Il legame ionico e i composti ionici Gli ioni poliatomici Il legame metallico

Legami chimici e simboli di Lewis 1 Legami chimici e simboli di Lewis Le forze che tengono uniti gli atomi in una molecola sono dette legami chimici. Esistono tre classi di legami chimici:  il legame covalente  il legame ionico  il legame metallico

Legami chimici e simboli di Lewis 1 Legami chimici e simboli di Lewis Con il nome di simboli di Lewis s’intende il simbolo dell’elemento circondato in modo simmetrico dagli elettroni di valenza. Il numero di elettroni di valenza di un atomo è uguale al numero del gruppo a cui l’elemento appartiene.

H + H  H H  H − H 2 Il legame covalente Un legame covalente consiste di una coppia di elettroni messi in comune tra due atomi. H + H  H H  In modo più pratico la coppia di elettroni di legame è rappresentata da un trattino che unisce i due atomi: H − H In presenza del legame covalente esistono forze di attrazione e di repulsione che si bilanciano.

2 Il legame covalente Ogni atomo, quando forma legami chimici con altri atomi, assume una configurazione ad otto elettroni nel livello di valenza. Fa eccezione l’idrogeno. I due elettroni di legame vengono contati sia per il primo che per il secondo atomo di fluoro, per cui ciascun atomo arriva a otto elettroni. MOLECOLA DI FLUORO

N + N  N N  N Ξ N 3 I legami miltipli  In alcune molecole, come C2H4, O2, N2 per raggiungere la configurazione ad ottetto gli atomi devono condividere due o tre coppie di elettroni (legami multipli). Due atomi di azoto, ciascuno con cinque elettroni nel livello esterno, quando formano la molecola N2, mettono in comune tre elettroni ciascuno; pertanto ogni atomo raggiunge la configurazione ad ottetto. N + N  N N  N Ξ N  Nella molecola N2 si ha un triplo legame tra due atomi.

Il legame covalente polare 4 Il legame covalente polare Un legame covalente è detto covalente polare quando il doppietto elettronico non è equamente condiviso: un elemento presenta una maggiore forza di attrazione per gli elettroni e l’altro elemento una minore forza. Nella molecola H − Cl δ+ δ− il cloro assume una lieve carica negativa () mentre l’idrogeno una lieve carica positiva (+). Il legame in H  Cl è “covalente polare”.

5 L’elettronegatività L’elettronegatività (EN) è la misura della capacità di un atomo, in una molecola, di attrarre verso di sé gli elettroni condivisi di un legame covalente. Nella tavola periodica gli elementi più elettronegativi si trovano in alto a destra, e quelli meno elettronegativi in basso a sinistra. Periodo 1 2 3 4 5 6 Gruppo 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 A H 2,1 Li 1,0 Na 0,9 K 0,8 Rb Cs 0,7 Be 1,5 Mg 1,2 Ca Sr Ba B 2,0 Al Ga 1,6 In 1,7 Tl 1,8 C 2,5 Si Ge Sn Pb N 3,0 P As Sb 1,9 Bi O 3,5 S Sc 2,4 Te Po F 4,0 Cl Br 2,9 I At 2,2 He - Ne Ar Kr Xe Rn ELETTRONEGATIVITÀ degli elementi dei gruppi principali

Caratteristiche del legame covalente 6 Caratteristiche del legame covalente La lunghezza di legame e l’energia di legame sono i due parametri che caratterizzano i legami covalenti. Legame Molecola H – H Cl – Cl O = O N Ξ N O – H C – H C – C C = C C Ξ C N – H Lunghezza di legame (pm) 74 200 121 110 96 107 154 133 120 101 H2 Cl2 O2 N2 H2O CH4 C2H6 C2H4 C2H2 NH3 Esempi di lunghezze medie di legame La distanza tra i nuclei di due atomi legati con un legame covalente è chiamata lunghezza di legame. Modello della molecola dell’idrogeno H2 . Lunghezza di legame H – H 74 pm.

Caratteristiche del legame covalente 6 Caratteristiche del legame covalente Legame Molecola H – H Cl – Cl I – I H – Cl C – H C – C C = C C Ξ C O – H N Ξ N O = O N = O N – H Energia in kJ/mol 436 242 151 431 413 346 602 835 463 945 498 631 391 H2 Cl2 I2 HCl CH4 C2H6 C2H4 C2H2 H2O N2 O2 NO NH3 Esempi di energie di legame La quantità di energia necessaria per rompere un legame chimico tra due atomi di una molecola allo stato gassoso è chiamata energia di legame. L’energia di legame si misura in kJ/mol. H  H + 436 kJ/mol  H + H

Il legame covalente dativo 7 Il legame covalente dativo Quando in un legame covalente il doppietto elettronico condiviso è fornito da un solo atomo il legame è detto legame covalente dativo. Il legame covalente dativo è rappresentato con una freccia che parte dall’atomo che fornisce il doppietto elettronico. O   H – O – N = O MOLECOLA DELL’ACIDO NITRICO

Il legame covalente dativo 7 Il legame covalente dativo Il legame covalente dativo che porta alla formazione di uno ione positivo prende il nome di legame di coordinazione. H H – N H + ione ammonio ammoniaca H  H – N + H+

Eccezioni alla regola dell’ottetto 8 Eccezioni alla regola dell’ottetto Le formule di Lewis di alcuni composti hanno l’atomo centrale che sfugge alla regola dell’ottetto. Visualizzazione grafica della struttura delle molecole di PCI5 e di BCI3, composti che sfuggono alla regola dell’ottetto.

Strutture di risonanza 9 Strutture di risonanza In alcuni casi la struttura di Lewis non descrive adeguatamente le proprietà di una molecola. Ciò si verifica quando una molecola presenta un legame doppio e un legame semplice come in SO2. S O  In effetti, in questa molecola i due tipi di legame presentano la stessa lunghezza, per cui si deve pensare che la struttura vera di SO2 risulta dalla combinazione di due strutture di Lewis, chiamate “strutture di risonanza”. S O  S O 

Il legame ionico e i composti ionici 10 Il legame ionico e i composti ionici Si definisce legame ionico l’attrazione tra ioni aventi carica opposta. Adottando la simbologia di Lewis, nella reazione tra un atomo di sodio e un atomo di cloro si verifica il trasferimento di un elettrone dal sodio al cloro. Na + Cl  [ Na  + Cl ] Na+ Cl− Tra cariche di segno opposto si crea un’attrazione elettrostatica, per cui gli ioni Na+ e Cl si attraggono. Le coppie ioniche Na+Cl costituiscono il cloruro di sodio, un solido cristallino tridimensionale. Cl− Na+ Cl− Na+

Il legame ionico e i composti ionici 10 Il legame ionico e i composti ionici Tutte le sostanze ioniche allo stato solido non esistono come molecole individuali. In genere formano composti ionici i metalli dei gruppi 1A e 2A con gli alogeni o con i non metalli del gruppo 6A. I composti ionici sono sostanze solide cristalline che presentano elevate temperature di fusione per le notevoli forze di attrazione tra le cariche ioniche. Connettendo due elettrodi, immersi nella soluzione, con i poli di una batteria, gli ioni positivi si muovono verso l’elettrodo negativo e gli ioni negativi verso l’elettrodo positivo. Il movimento degli ioni costituisce un passaggio di corrente elettrica che è rilevata dall’accensione della lampadina. Un’altra proprietà dei composti ionici è quella di condurre l’elettricità quando si trovano allo stato fuso o in soluzione.

Il legame ionico e i composti ionici 10 Il legame ionico e i composti ionici Il solfato rameico in soluzione acquosa conduce la corrente elettrica. Le sostanze che, disciolte in acqua o allo stato fuso, conducono la corrente elettrica sono dette elettroliti.

Il legame ionico e i composti ionici 10 Il legame ionico e i composti ionici Il glucosio, un composto covalente, non conduce l’elettricità né allo stato solido né in soluzione acquosa. Le sostanze che non conducono la corrente elettrica sono dette non elettroliti.

O – C – O O 11 Gli ioni poliatomici − 2−  Due o più atomi legati tra loro con legami covalenti possono mostrare complessivamente carica positiva o negativa. Questo gruppo di atomi costituisce uno ione poliatomico perché possiede carica elettrica. O O – C – O  − 2− IONE CARBONATO CO3− −

12 Il legame metallico Viene definito legame metallico l’attrazione tra gli ioni positivi del metallo e gli elettroni mobili che li circondano. Questo modello dà una spiegazione delle proprietà caratteristiche dei metalli:  la conducibilità elettrica, perché in presenza di un campo elettrico gli elettroni possono spostarsi verso il polo positivo del metallo;  la malleabilità e la duttilità, che esprimono la capacità degli ioni di scorrere gli uni sugli altri sotto l’azione di una forza.