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Valeria Costantino » 13.Legame chimico. Strutture di Lewis


Dalla formula molecolare alla struttura bidimensionale

Per conoscere le proprietà di una sostanza ne dobbiamo conoscere:

  • la struttura (ossia il modo in cui gli atomi sono legati tra loro e come sono disposti nello spazio)
  • il tipo di legame presente tra gli atomi (dove per legame si intende la descrizione delle forze che tengono insieme gli atomi).

Impareremo a convertire la formula molecolare in una struttura bidimensionale, detta struttura di Lewis, che mostra come gli atomi sono legati tra loro.

Il legame chimico

  • Quando gli atomi si combinano per formare composti sono tenuti insieme in proporzioni fisse da forze di attrazione chiamate legami chimici.
  • Un legame chimico si forma se l’insieme di atomi legati assume un energia minore di quella che avevano gli atomi isolati. In altre parole, il legame abbassa l’energia potenziale tra particelle positive e particelle negative, siano esse ioni carichi di segno opposto o nuclei atomici ed elettroni.

Identifichiamo tre tipi di legame che si ottengono combinando i due tipi di atomo:

  • metallo con non metallo;
  • non metallo con non metallo;
  • metallo con metallo.

Quali elettroni formano i legami?

I legami sono formati dagli elettroni di valenza, cioè quelli degli orbitali più esterni.
Per gli elementi dei gruppi principali (ad eccezione di quelli di transizione) possono essere da 1 a 8.

Il legame ionico

  • Metallo con Non metallo Se il legame è realizzato trasferendo completamente un elettrone da un atomo all’altro, si formano ioni e il composto è tenuto insieme dall’attrazione elettrostatica tra ioni. Si parla in questo caso di legame ionico.

Un legame ionico si forma tra due atomi con grandi differenze nella loro tendenza a cedere o ad acquistare elettroni, ossia tra metalli del I o II gruppo e Non metalli del VII gruppo (alogeni).
Il trasferimento di un elettrone dal metallo al non metallo porta alla formazione di ioni, catione ed anione, ciascuno con configurazione di gas nobile.

Il legame ionico nel solido ionico

Un solido ionico è formato da cationi e anioni, che generalmente sono disposti in maniera ordinata e regolare: si parla in questo caso di solido cristallino.
Il legame ionico non è direzionale, e ogni anione non è specificamente legato ad un certo catione, ma a tutti i cationi che lo circondano.


Il legame ionico nel solido ionico

Questa struttura ordinata è difficile da distruggere, e questo spiega l’elevato punto di fusione dei solidi ionici.
Anche se spesso molto duri, i solidi ionici sono anche molto fragili, e si sfaldano facilmente (cioè si rompono producendo superfici perfettamente lisce). Questo può essere spiegato dal fatto che un colpo localizzato può far scorrere leggermente due piani di ioni, e allora le interazioni diventano repulsive ed il cristallo si spezza.


Il legame covalente

  • Non metallo con Non metallo Se invece il legame è realizzato attraverso la condivisione di elettroni, si parla di legame covalente.
  • Questo tipo di legame si forma tra atomi che hanno una piccola o nessuna differenza nella loro tendenza ad acquistare o cedere elettroni.
  • Una coppia di elettroni condivisa è considerata localizzata tra i due atomi.

Il legame covalente


Il legame metallico

  • Metallo con metallo: messa in comune di elettroni di valenza tra molti atomi

Nel più semplice modello del legame metallico, tutti gli atomi mettono in comune i loro elettroni di valenza in un “mare” di elettroni uniformemente distribuito.

A differenza del legame covalente, gli elettroni sono “delocalizzati”, ossia si muovono liberamente in tutto il campione di metallo.

Il legame chimico

Rappresentazione grafica dei tre tipi di legame chimico

Rappresentazione grafica dei tre tipi di legame chimico


Valenza

Il fluoro ha 7 elettroni di valenza.
Sei di questi formano 3 coppie di elettroni, mentre il settimo può essere usato per formare un legame covalente: si dice quindi che il fluoro ha valenza 1, o anche che il fluoro è monovalente.
Anche l’idrogeno è monovalente e forma molecole biatomiche, ma in questo caso non si raggiunge l’ottetto, ma il duetto, poiché l’idrogeno è nel primo periodo ed il gas nobile più vicino è l’elio.


Valenza


Quali ioni si formano?

La configurazione elettronica degli atomi permette di prevedere gli ioni formati dai vari elementi.
Abbiamo già detto che i gas nobili non sono reattivi, e questo vuol dire che la loro configurazione elettronica, in cui sono completi gli orbitali s e p dello strato più esterno, è una configurazione molto stabile.

Gli atomi dei vari elementi tendono a cedere o acquistare elettroni in modo da raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino.

Quali ioni si formano?

Poiché tutti i gas nobili (tranne l’elio) hanno 8 elettroni nello strato più esterno, possiamo anche dire che configurazioni elettroniche con l’ottetto completo sono particolarmente stabili.
Gli ioni Mg2+, Na+, F e O2– hanno tutti la stessa configurazione elettronica del neon (sono isoelettronici con il neon), e quindi l’ottetto completo, così come Ca2+, K+, Cl e S2– hanno tutti la stessa configurazione elettronica dell’argon.

Quali ioni si formano?

Si capisce ora perché i metalli (a sinistra del sistema periodico) formano cationi, mentre i non metalli formano anioni.
Anche l’idrogeno, che è un non metallo, è capace di formare un anione, l’idruro H, che è isoelettronico con l’elio, e forma composti ionici noti come idruri.
Gli elementi di transizione hanno comportamento più complesso, e possono generalmente formare più di un catione.

I simboli di Lewis


I simboli di Lewis


L’elettronegatività

Proprietà egli elementi legati, si indica con la lettere greca “chi” χ è la capacità relativa di attrarre gli elettroni di legame.

Linus Pauling determinò una scala di elettronegatività, in base alla quale essa aumenta lungo un gruppo dal basso verso l’alto e lungo un periodo da sinistra verso destra.

Ne consegue che il fluoro è l’elemento più elettronegativo, seguito dall’ossigeno.

Maggiore è la differenza di elettronegatività tra due atomi legati, maggiore sarà il carattere polare del legame.

Esiste, quindi, una gradazione dal legame ionico a quello covalente apolare, e covalente polare.

L’elettronegatività

L’elettronegatività permette di prevedere anche se un composto binario sarà di tipo ionico o covalente.
Per una differenza di elettronegatività al di sopra di 2 il composto sarà decisamente ionico.

Se invece la differenza di elettronegatività tra i due elementi è minore di 1.5 (e i due elementi non sono metalli), ci aspettiamo un legame covalente, con un carattere polare tanto maggiore quanto maggiore è la differenza di elettronegatività.

La scala di elettronegatività di Pauling


Legami covalenti polari

Finora abbiamo descritto il legame covalente come formato da una coppia di elettroni condivisa tra due atomi, che si colloca a metà tra i due atomi.
Questo è certamente vero nei legami covalenti tra due atomi uguali, come in H2 o Cl2, ma se i due atomi sono diversi, è molto probabile che uno dei due atomi tenda ad attirare la coppia di elettroni più dell’altro.
Per esempio in HCl il cloro attrae la coppia di elettroni più fortemente, e questa quindi si trova più vicina al cloro che all’idrogeno.


Legami covalenti polari

Si ha quindi una piccola carica negativa sul cloro, e una piccola carica positiva sull’idrogeno (indicate con i simboli δ+ e δ). Nel suo complesso, la molecola è un dipolo elettrico.
Un legame covalente del genere è detto legame covalente polare. Poiché si ha un parziale trasferimento di elettroni da un atomo ad un altro, questo tipo di legame è intermedio tra il legame covalente e il legame ionico.


Scrivere le strutture di Lewis

Data una formula molecolare, come si scrive la sua struttura di Lewis?
Innanzitutto bisogna stabilire come sono legati gli atomi, individuando l’atomo centrale e quelli terminali.

  • l’atomo con minore elettronegatività va scritto al centro, e gli altri atomi (molto spesso alogeni o ossigeno) vanno disposti intorno.

Gli idrogeni sono legati agli ossigeni, se ce ne sono, se no all’atomo centrale.

  • Poi leghiamo l’atomo centrale a quelli terminali con legami semplici.

Come esempio usiamo PCl3 (vedi figura)


Scrivere le strutture di Lewis

  • Contiamo poi tutti gli elettroni di valenza degli atomi che compongono la molecola.

Qui sono 5 per P, e 7 per ogni Cl, per un totale di 26.

  • Di questi, 6 sono stati già usati per scrivere i 3 legami covalenti.
  • I rimanenti 20 vengono aggiunti come coppie solitarie fino a completamento dell’ottetto, cominciando dagli atomi terminali (in questo ne usiamo 18).
  • I rimanenti (2 in questo caso) elettroni vanno sull’atomo centrale.

Strutture di Lewis di ioni

Si possono scrivere le strutture di Lewis anche di ioni.
Le regole sono le stesse, ma bisogna aggiungere un elettrone in più per ogni carica negativa di un anione, o sottrarre un elettrone per ogni carica positiva di un catione.
Per esempio nello ione ammonio NH4+ dobbiamo considerare 8 elettroni di valenza (5+4·1–1=8) che servono a formare i 4 legami covalenti: non ci sono coppie solitarie.


Strutture di Lewis di ioni poliatomici

Nello ione SO42– abbiamo 32 elettroni di valenza (6+4·6+2=32).

Di questi, 8 servono a formare i 4 legami covalenti, e gli altri 24 formano 3 coppie solitarie su ogni ossigeno.


Riepilogo


Test di verifica

Scrivere la struttura di Lewis di:

trifloruro di azoto (una molecola neutra)
Ione solfito (un anione)
Ione ammmonio (un catione)
test Lezione 13

Obiettivi

Descrivere il concetto di legame chimico
Descrivere i tre tipi di legami chimici
Essere in grado di scrivere la struttura di Lewis a partire dalla formula molecolare
Definire il concetto di elettronegatività
E’ utile esercitarsi utilizzando il test Lezione 13 riportato nel materiale supplementare.

I materiali di supporto della lezione

costantino-13-test.doc

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