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La struttura atomico-molecolare della materia e il legame chimico

La natura del legame chimico - Regola dell'ottetto

Le sostanze costituite da atomi isolati sono estremamente rare (tra queste i gas nobili e i metalli allo stato aeriforme e ad alta temperatura). Gli atomi isolati, infatti, sono in generale energeticamente instabili e tendono spontaneamente ad aggregarsi tra di loro attraverso reazioni chimiche perché in tal modo acquistano una maggiore stabilità (o come si dice, si stabilizzano in uno stato energetico minimo). Si definisce legame chimico la forza attrattiva che si stabilisce tra due o più atomi, uguali o diversi, permettendo loro di unirsi formando molecole o aggregati cristallini.

Secondo la teoria elettronica della valenza (enunciata nel 1916), gli atomi tendono a legarsi tra loro per raggiungere una configurazione elettronica più stabile. La formazione del legame coinvolge gli elettroni periferici, detti elettroni di valenza. Nel corso di questo processo gli elettroni possono essere trasferiti da un atomo all'altro, oppure essere messi in comune, dando così luogo a diversi tipi di legame.

La valenza è la capacità di combinazione di un elemento e corrisponde al numero di elettroni che il suo atomo mette in gioco nella formazione di legami chimici. La valenza di un elemento è perciò determinata dai suoi elettroni di valenza (un elemento viene detto monovalente, bivalente, trivalente ecc. a seconda della sua capacità di mettere in gioco uno, due, tre ecc. elettroni).

La regola dell'ottetto

Come è stato osservato, i gas nobili sono molto stabili: essi presentano una configurazione esterna costituita da otto elettroni (a eccezione dell'elio, che possiede 2 elettroni). Sulla base di questa constatazione, il chimico statunitense G.N. Lewis (1875-1946) enunciò la regola dell'ottetto: ogni atomo tende, attraverso la formazione di legami chimici, ad acquistare o a perdere o a mettere in compartecipazione elettroni fino a raggiungere una configurazione elettronica esterna costituita da otto elettroni (uguale a quella del gas nobile più vicino nella tavola periodica).

La regola dell’ottetto è valida per la maggior parte degli elementi rappresentativi, cioè quelli dei gruppi A (da I A a VII A), mentre non è osservata dai metalli di transizione (gruppi B) che raggiungono configurazioni stabili differenti da quella dell’ottetto. Gli elementi vicino all’elio, come l’idrogeno e il litio, tendono a raggiungere una configurazione costituita da due elettroni.

L'energia di legame

La stabilità che gli atomi acquistano quando si uniscono per mezzo di un legame chimico è espressa dall'energia di legame, definita come l'energia necessaria per rompere un dato legame chimico (misurata in chilocalorie/mole o chilojoule/mole). L'energia di legame è in stretta relazione con le caratteristiche energetiche degli atomi coinvolti, definite dall'energia di ionizzazione e dall'affinità elettronica. La distanza media a cui si trovano due nuclei uniti da un legame chimico è detta distanza di legame .

Classificazione dei legami chimici

Il primo significato di legame chimico è quello che riguarda l'interazione tra gli elettroni di valenza di due o più atomi, uguali o diversi, individuabili come entità unitaria (molecola): questo legame intramolecolare è detto fondamentale, o primario. Sono legami fondamentali anche quelli che interessano un numero molto elevato di atomi, tanto che è difficile, in questo caso, individuare una singola molecola. Per esempio, in sostanze come il diamante, che è carbonio puro, o la silice SiO2, il legame chimico forma strutture cristalline polimere, cioè formate da tante unità uguali (monomeri) che si ripetono un numero grandissimo di volte. Come pure in cristalli solidi come NaCl, il legame che si instaura porta alla formazione di strutture cristalline ioniche, con un numero grandissimo di ioni Na+ e Cl? che si alternano nell'edificio cristallino (la scrittura NaCl pertanto non individua una molecola, ma ci suggerisce solo che tra atomi di sodio e cloro esiste il rapporto 1:1). I legami fondamentali includono il legame ionico , il legame covalente e il legame metallico .

Esistono poi delle interazioni attrattive tra molecole che, pur essendo meno forti di un legame chimico, sono importanti perché responsabili, per esempio, dello stato fisico delle sostanze: queste interazioni intermolecolari sono definite forze intermolecolari o legami deboli.

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