Quali sono i principali tipi di legami chimici?
1Mi piaceCom'è possibile che esistano decine e decine di milioni di sostanze diverse quando gli elementi del sistema periodico stabili e non troppo rari, e i rispettivi atomi sono un'ottantina?
La risposta è che gli stessi pochi tipi di atomi possono aggregarsi tra loro in molti modi e combinazioni diverse dando luogo a unità strutturali diverse (ioni, molecole, reticoli continui) o anche rimanere separati perché privi di attrazioni reciproche.
Atomi e legami chimici
A strutture diverse corrispondono composizioni diverse e proprietà diverse. In due parole: sostanze diverse. Le unità strutturali, a loro volta, possono avere tendenza ad attrarsi e formare una fase condensata disponendosi vicine ma disordinatamente tra loro (liquido) oppure schierarsi in modo ordinato (solido cristallino); oppure, infine, non avere tendenze attrattive e restare pertanto separate. Il risultato è allora una sostanza aeriforme.
Tutti i tipi di aggregati di atomi e gruppi di atomi sono considerati "legami chimici", anche perché hanno un'origine comune: l'attrazione elettrica tra nubi di elettroni (negative) e nuclei degli atomi (positivi) o parti degli aggregati dove la carica positiva dei nuclei rimane "scoperta", ossia non completamente avvolta, e "bilanciata" dalla nuvola elettronica negativa.
Cosa sono i legami chimici?
Prima di classificare i diversi tipi di legami è bene descrivere nel modo più elementare possibile in cosa essi consistono, concretamente. Se potessimo "vedere" gli atomi vedremmo nubi elettroniche negative con maggior densità intorno ai nuclei positivi, praticamente puntiformi. Questa immagine riproduce la nube elettronica di un atomi di elio. La nube, formata da due elettroni, si dirada con simmetria sferica dal nucleo con carica elettrica + 2 (dovuta ai due protoni), posto al centro dell'atomo. Una molecola di acqua, H₂O, apparirebbe come in questa immagine.
Le zone più scure, di forma sferica, sono dove le nubi elettroniche sono più dense, e corrispondono alle parti più interne degli atomi. I tre nuclei (due di idrogeno e uno di ossigeno, quello in basso) si trovano al centro delle zone scure. Come si vede i tre atomi perdono quasi di identità nella molecola. Ci sono in tutto 10 elettroni, di cui due sono costantemente nella parte più interna dell'atomo di ossigeno, e gli altri 8 sono dispersi ad avvolgere i tre nòccioli positivi, disposti con un angolo di 104,5°. Sono diffuse delle rappresentazioni (che "mostrano" le regioni dove le nubi sono più diradate con colori tendenti al blu (dove c'è quindi un eccesso di carica positiva), e tendente al rosso intenso dove c'è un eccesso di carica negativa. Una molecola d'acqua apparirebbe come in questa immagine.
Come si vede, la maggior carica del nòcciolo dell'ossigeno fa sì che questo diventi un "accentratore" della nube elettronica mentre i "poveri" nuclei di idrogeno subiscono un certo risucchio delle loro nubi elettroniche, rimanendo "scoperti". È questo il motivo per cui la molecola d'acqua è polare, costituita cioè da un centro della carica negativa distanziato dal centro della carica positiva. Questo fa sì che le pur leggere molecole d'acqua si attraggano a formare un liquido, facilmente trasformabile in solido (ghiaccio), e dotato di caratteristiche uniche come solvente.
Riassumendo, nella "vera" molecola dell'acqua:
a) Non ci sono delimitazioni riconoscibili tra un atomo e l'altro;
b) i legami non sono "oggetti", né sono "visibili". Ma ci sono. Così come l'attrazione tra due magneti non si vede, ma c'è: provate a staccarli! I legami sono causati da quella "nebbiolina" chiara che sta tra il nucleo (+1) di ciascun atomo di idrogeno e il nòcciolo dell'ossigeno (la parte più scura in basso nell'immagine 1 in grigio), contenente 8 protoni e due elettroni interni, quindi avente carica +6. La tenue nube elettronica dislocata nelle zone di spazio intermedie tra i centri positivi degli atomi, essendo negativa, fa da "collante"; attrae i nuclei positivi impedendone il distanziamento (che tra cariche dello stesso segno sarebbe inevitabile). D'altra parte le nubi elettroniche costituite dagli elettroni esterni di ogni atomo, essendo libere di "spalmarsi" nello spazio internucleare, cercano di stare più possibile intorno ai centri positivi e anche più rarefatte possibile a distanza dai nuclei. Si trova così una disposizione d'equilibrio dove attrazioni e repulsioni sono perfettamente bilanciate e in equilibrio stabile. Un tentativo di allontanamento tra due atomi causerebbe una forza di richiamo che li riporta alla posizione precedente; un tentativo di avvicinamento causerebbe una repulsione tra i centri positivi che, anche in questo caso riporterebbe gli stessi centri nelle posizioni stabili. L'aggregato di tre atomi rimane così intatto, con una geometria tra i tre nuclei direttamente osservabile con spettroscopia a raggi X.
c) Gli atomi sono in gran parte compenetrati, dato che la nube elettronica dei sei elettroni esterni dell'ossigeno arriva ad "avvolgere" almeno in parte anche i nuclei dei due atomi di idrogeno. In altre parole, l'atomo idi ossigeno non legato sarebbe grande più o meno come la molecola di acqua. Quindi è sbagliato e fuorviante pensare che le linee o i bastoncini di collegamento che si vedono in queste immagini indichino i "legami" e che le sferette colorate o i simboli H e O indichino gli "atomi". Una rappresentazione più realistica sarebbe questa, che mostra i tre atomi in gran parte compenetrati.
Ma la rappresentazione più realistica non è necessariamente la più utile.
Per molecole più complesse, rappresentare tutti gli atomi incastonati gli uni negli altri non permette di comprenderne la struttura geometrica. Una molecola di saccarosio (C₁₂H₂₂O₁₁) apparirebbe così (come nella parte bassa della figura). Per cui i chimici ricorrono più spesso a rappresentazioni come quella in alto nella stessa figura. In cui i simboli degli elementi sono ben distanziati da linee ideali che permettono di avere una visione chiara (e più facile da disegnare e ricordare) della forma delle molecole. Le linee non sono i legami ma solo linee di congiunzione tra i nuclei degli atomi. Quando vediamo una costellazione nel cielo stellato, vediamo solo le stelle. Le linee le immaginiamo. La stessa cosa avviene con i raggi X. Si ricavano le posizioni, le distanze e gli angoli tra i centri positivi, ma i legami sono semplicemente le nubi elettroniche praticamente invisibili che stanno tra i nuclei.
Questa è la descrizione più precisa che si può dare del legame covalente, col minimo di conoscenze teoriche.
