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Sostanze composte
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Combinandosi tra loro, comunque rispettando precise leggi chimiche, si possono ottenere un numero enorme di composti aventi caratteristiche specifiche (acidi, basi, sali, ossidi, anidridi, idrocarburi, alcooli, zuccheri ecc.). Le molecole di ogni sostanza vengono rappresentati, solitamente, con una formula chimica grezza, costituita da lettere e numeri. Le lettere indicano le specie atomiche presenti nella molecola I numeri, sistemati in pedice, indicano qunti atomi di una data specie ci sono nella molecola. Per esempio H2SO4 è la formula chimica dell’acido solforico (detto anche «vetriolo»): indica che in ogni molecola della sostanza ci sono 2 atomi di idrogeno, 1 di zolfo e 4 di ossigeno. L’acido solforico è possibile trovarlo in casa: è usato come disotturante dei lavandini (o del water): estremamente corrosivo!
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Solo i gas nobili (elio, neon, argon, xenon, cripton e radon) sono fatti da particelle di atomi singoli, mentre le particelle di tutte le altre sostanze sono fatte da molecole, cioè da gruppi di due o più atomi legati strettamente tra loro. Il primo chimico che ha elaborato una teoria riguardo al motivo e al modo di formare legami tra atomi è stato Lewis (1916). Pochi anni prima, Bohr e altri avevano dimostrato che gli elettroni si sistemano attorno al nucleo su 7 livelli energetici a distanze ben precise dal nucleo stesso. Si scoprì anche che nel 1° livello possono orbitare massimo 2 elettroni, massimo 8 elettroni nel 2° livello, massimo 18 nel 3°, massimo 32 in ciascuno dei livelli superiori.
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In più Lewis notò che i gas nobili avevano nel loro ultimo livello 8 elettroni (fa eccezione l’elio che, di suo, ha solo due elettroni sistemati nel 1° livello dove non c’è posto per altri). He Ne Il potassio K che ha solo un elettrone in più rispetto all’argon, pur essendoci posto nel 3° livello (fino a 18), lo sistema nel 4°. Cosa analoga succede per il rubidio Rb che ha un solo elettrone in più rispetto al cripon Kr. K
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Lewis dimostrò anche come elementi con forte carattere metallico, come il sodio Na, cedono elettroni, caricandosi positivamente (Na+), ad elementi dal forte carattere non metallico, come il cloro Cl, che assumeranno, quindi, una carica negativa (Cl-) - + Cl Na Il fatto curioso è che, nella maggior parte dei casi, entrambi gli elementi si ritrovavano con 8 elettroni sul livello esterno
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Il fatto di trovare 8 elettroni al livello esterno, come i gas nobili, non poteva essere un caso. Per tal motivo Lewis ipotizzò che gli atomi rispettassero una regola: la Regola dell’ottetto Un atomo è stabile se nel suo ultimo livello sistema un numero di elettroni tale da assomigliare al gas nobile più vicino nella tavola periodica (8 nella maggior parte dei casi). Per questa regola, gli atomi diversi dai gas nobili tendono a combinarsi con altri atomi per cedere o acquistare o condividere elettroni in modo da far orbitare, sul loro ultimo livello, lo stesso numero di elettroni del gas nobile più vicino nella tavola periodica.
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Nel caso in cui c’è un passaggio netto di elettroni, da un atomo all’altro, gli atomi diventano ioni. Si definisce ione un atomo che assume una carica elettrica intera o multipla. 7 elettroni sul livello esterno 1 elettrone sul livello esterno Na Cl NaCl - + L’elemento che perde elettroni diventa catione (ione positivo); L’elemento che acquista elettroni divenza anione (ione negativo). Ione negativo e positivo tendono ad attrarsi reciprocamente formando un legame ionico.
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Il legame ionico Nei composti caratterizzati dal legame ionico, gli ioni si sistemano in molto molto ordinato, a reticolo ionico o cristallino, con forme geometriche particolari che, a livello macroscopico, costituiscono i cristalli.
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Il legame covalente Non sempre, tra gli atomi che vogliono rispettare la regola dell’ottetto, ci può essere un passaggio netto di elettroni. Molto spesso, gli atomi sono costretti a condividere una o più coppie di elettroni. Questo è quello che succede sempre tra atomi uguali. Per esempio, nel caso dell’idrogeno gassoso H2 I due atomi di H mettono in comune e condividono una coppia di elettroni che orbiterà un po’ sull’uno, un po’ sull’altro. In questo modo entrambi, anche se parzialmente, rispettano la regola (fanno orbitare due elettroni sul loro unico livello assomigliando, anche se non al 100%, all’elio). In questa situazione non si formeranno ioni, ma gli atomi saranno tenuti «legati» da questa coppia di elettroni. Il legame si dice covalente.
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Cl H L’idrogeno H e il cloro Cl mettono in comune e condividono una coppia di elettroni che orbiterà un po’ sull’uno, un po’ sull’altro. In questo modo entrambi, anche se parzialmente, rispettano la regola. Cl H
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L’ossigeno O condivide due elettroni con due idrogeni H.
Tutt’e tre gli atomi rispettano la regola. L’insieme di tutti gli atomi (due o più) tenuti insieme da legami covalenti è detta molecola. Le sostanze caratterizzate da legami covalenti non formano cristalli.
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Il legame covalente può essere:
Neutro (o apolare o omopolare), se la condivisione della coppia di elettroni è simmetrica Polare, se la condivisione non è simmetrica in quanto uno degli atomi mantiene maggiormente la coppia attorno al proprio nucleo. dipolo Il tipo di legame che può formarsi tra due atomi (covalente puro, covalente polare, ionico) dipende da una caratteristica particolare: la elettronegatività. Elettronegatività= capacità di attrarre gli elettroni di legame. L’elettronegatività è bassa nei metalli, alta nei non metalli. Aumenta lungo un periodo della tavola periodica (da sx a dx), e diminuisce lungo un gruppo (dall’alto al basso). Se la differenza di elettronegatività tra i due atomi è: ≤ 0,4, il legame sarà covalente neutro compresa tra 0,4 e 1,7, il legame sarà covalente polare. >1,7 il legame sarà ionico
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Una molecola fatta da due soli atomi con legame covalente, sarà polare se questo legame è polare, altrimenti sarà neutra. Una molecola fatta da tre o più atomi sarà neutra o polare in base sia ai tipi di legame, ma anche in base alla sua geometria. 105,4° dipolo L’acqua, H2O, è fatta da 3 atomi con 2 legami covalenti polari. La sua geometria è angolare (circa 105,4°). L’ossigeno, più elettronegativo concentra su di sé una parziale carica negativa, mentre gli idrogeni una parziale carica positiva: la molecola è polare. 180° - + O C L’anidride carbonica, CO2 è fatta da 3 atomi con 2 legami covalenti polari. La sua geometria è lineare (180°). I due atomi di ossigeno, più elettronegativi del carbonio, sono in posizione opposta per cui la polarità è nulla. dipolo
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Legame metallico Nei metalli il legame covalente è molto particolare: gli elettroni dell’ultimo livello (elettroni di valenza o di legame) di ogni atomo vengono condivisi con tutti gli altri atomi. Il modello di rappresentazione del legame metallico è quello di un insieme ordinato di ioni metallici positivi tra i quali si muovono liberamente tutti gli elettroni esterni di tutti gli atomi. Questa particolare situazione spiega le caratteristiche di questi materiali: buona conducibilità elettrica e termica, malleabilità, duttilità, compattezza, alta temperatura di fusione, facilità a cedere elettroni ad elementi non metallici.
