Il legame chimico si verifica quando due o più atomi si uniscono per formare una molecola. È un principio generale della scienza che tutti i sistemi cercheranno di raggiungere il loro livello di energia più basso, e il legame chimico avrà luogo solo quando si potrà formare una molecola che ha meno energia dei suoi atomi non combinati. I tre principali tipi di legame sono ionico, covalente e metallico. Questi coinvolgono tutti gli elettroni che si muovono tra gli atomi in vari modi. Un altro tipo, molto più debole, è il legame idrogeno.
Struttura atomica
Gli atomi sono costituiti da un nucleo contenente protoni con carica positiva, circondato da un numero uguale di elettroni con carica negativa. Normalmente, quindi, sono elettricamente neutri. Un atomo può però perdere o guadagnare uno o più elettroni, conferendogli una carica positiva o negativa. Quando uno ha una carica elettrica, si chiama ione.
Sono gli elettroni che sono coinvolti nel legame chimico. Queste particelle sono disposte in gusci che possono essere pensati come esistenti a distanze crescenti dal nucleo. Generalmente, più i gusci sono lontani dal nucleo, più energia hanno. C’è un limite al numero di elettroni che possono occupare un guscio. Ad esempio, la prima shell, la più interna, ha un limite di due e la shell successiva un limite di otto.
Nella maggior parte dei casi, sono solo gli elettroni nel guscio più esterno che partecipano al legame. Questi sono spesso chiamati elettroni di valenza. Come regola generale, gli atomi tenderanno a combinarsi tra loro in modo tale da raggiungere tutti i gusci esterni completi, poiché queste configurazioni di solito hanno meno energia. Un gruppo di elementi noti come gas nobili – elio, neon, argon, krypton, xeno e radon – ha già un guscio esterno completo e per questo normalmente non forma legami chimici. Altri elementi cercheranno generalmente di ottenere una struttura di gas nobile cedendo, accettando o condividendo elettroni con altri atomi.
I legami chimici sono talvolta rappresentati da qualcosa chiamato struttura di Lewis, dal nome del chimico americano Gilbert N. Lewis. In una struttura di Lewis, gli elettroni di valenza sono rappresentati da punti appena fuori dai simboli chimici degli elementi in una molecola. Mostrano chiaramente dove gli elettroni si sono spostati da un atomo all’altro e dove sono condivisi tra gli atomi.
Legame ionico
Questo tipo di legame chimico avviene tra metalli, che cedono facilmente elettroni, e non metalli, che sono desiderosi di accettarli. Il metallo cede gli elettroni nel suo guscio più esterno incompleto al non metallo, lasciando quel guscio vuoto in modo che l’intero guscio sottostante diventi il suo nuovo guscio più esterno. Il non metallo accetta elettroni in modo da riempire il suo guscio più esterno incompleto. In questo modo, entrambi gli atomi hanno raggiunto i gusci esterni completi. Questo lascia il metallo con una carica positiva e il non metallo con una carica negativa, quindi sono ioni positivi e negativi che si attraggono.
Un semplice esempio è il fluoruro di sodio. Il sodio ha tre gusci, con un elettrone di valenza nel più esterno. Il fluoro ha due gusci, con sette elettroni nel più esterno. Il sodio dà il suo unico elettrone di valenza all’atomo di fluoro, così che il sodio ora ha due gusci completi e una carica positiva, mentre il fluoro ha due gusci completi e una carica negativa. La molecola risultante – fluoruro di sodio – presenta due atomi con gusci esterni completi legati insieme dall’attrazione elettrica.
Legame covalente
Gli atomi dei non metalli si combinano tra loro condividendo gli elettroni in modo tale da abbassare il loro livello energetico complessivo. Questo di solito significa che, se combinati, hanno tutti i gusci esterni completi. Per fare un semplice esempio, l’idrogeno ha un solo elettrone, nel suo primo e unico guscio, che gli lascia uno a corto di un guscio completo. Due atomi di idrogeno possono condividere i loro elettroni per formare una molecola in cui entrambi hanno un guscio esterno completo.
Spesso è possibile prevedere come gli atomi si combineranno tra loro dal numero di elettroni che hanno. Ad esempio, il carbonio ne ha sei, il che significa che ha un primo guscio completo di due e un guscio più esterno di quattro, lasciandolo quattro in meno di un guscio esterno completo. L’ossigeno ne ha otto, e così ne ha sei nel suo guscio esterno: due in meno di un guscio completo. Un atomo di carbonio può combinarsi con due atomi di ossigeno per formare anidride carbonica, in cui il carbonio condivide i suoi quattro elettroni, due con ciascun atomo di ossigeno, e gli atomi di ossigeno a loro volta condividono ciascuno due dei loro elettroni con l’atomo di carbonio. In questo modo, tutti e tre gli atomi hanno involucri esterni completi contenenti otto elettroni.
Incollaggio metallico
In un pezzo di metallo, gli elettroni di valenza sono più o meno liberi di muoversi, piuttosto che appartenere a singoli atomi. Il metallo è quindi costituito da ioni caricati positivamente circondati da elettroni mobili caricati negativamente. Gli ioni possono essere spostati con relativa facilità, ma sono difficili da staccare, a causa della loro attrazione per gli elettroni. Questo spiega perché i metalli sono generalmente facili da piegare ma difficili da rompere. La mobilità degli elettroni spiega anche perché i metalli sono buoni conduttori di elettricità.
Legame idrogeno
A differenza degli esempi sopra, il legame idrogeno implica il legame tra, piuttosto che all’interno, delle molecole. Quando l’idrogeno si combina con un elemento che attrae fortemente gli elettroni, come il fluoro o l’ossigeno, gli elettroni vengono allontanati dall’idrogeno. Ciò si traduce in una molecola con una carica positiva complessiva da un lato e una carica negativa dall’altro. In un liquido, i lati positivo e negativo si attraggono, formando legami tra le molecole.
Sebbene questi legami siano molto più deboli dei legami ionici, covalenti o metallici, sono molto importanti. Il legame a idrogeno avviene nell’acqua, un composto contenente due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. Ciò significa che è necessaria più energia per convertire l’acqua liquida in un gas rispetto a quanto sarebbe altrimenti. Senza il legame idrogeno, l’acqua avrebbe un punto di ebollizione molto più basso e non potrebbe esistere come liquido sulla Terra.