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Bagatti, Corradi, Desco, Ropa

Chimica seconda edizione

1 Chimica 2ed. F. Bagatti, E. Corradi, A. Desco, C. Ropa © Zanichelli, 2017

Bagatti, Corradi, Desco, Ropa, Chimica seconda edizione Capitolo 6. I legami chimici SEGUI LA MAPPA

6 I legami chimici

1 Gli elettroni di legame e la regola dell’ottetto

2 Il legame ionico

3 Il legame covalente

4 Il legame metallico

5 Le proprietà delle sostanze

6 Dalla tavola periodica ai legami

applicare

definire

rappresentare

Gli elettronidi legame

I simbolidi Lewis

Il legamecovalente puro

Il legame covalente polarizzato

distinguere tra

La regola dell’ottetto

Il legameionico

Il legamemetallico

distinguere tra

Il legamecovalente dativo

Le formuledi Lewis

La differenza di elettronegatività

Il legamecovalente

riconoscere rappresentare valutare

Legami chimicie classificazione delle sostanze


6 I legami chimici


2 Il legame ionico





applicare

definire

rappresentare


I simbolidi Lewis



distinguere tra


Il legameionico

Il legamemetallico

distinguere tra


Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



Capitolo 6 I legami chimici Lezione 1 Gli elettroni di legame e la regola dell’ottetto

Gli atomi difficilmente possono esistere liberi, infatti quasi sempre formano aggregati più stabili legandosi con altri atomi.

I legami chimici sono il risultato di un equilibrio tra diverse forze elettriche: forze di repulsione (tra nucleo e nucleo e tra elettrone ed elettrone) e di attrazione (tra nuclei ed elettroni).

Gli elettroni impegnati a formare i legami tra gli atomi sono quelli che si trovano negli orbitali di tipo s e p dell’ultimo livello occupato e che vengono chiamati elettroni di legame.

definire




6 I legami chimici


2 Il legame ionico





applicare

definire

rappresentare


I simbolidi Lewis



distinguere tra


Il legameionico

Il legamemetallico

distinguere tra


Le formuledi Lewis


Il legamecovalente




Per rappresentare gli elettroni di legame di un elemento si possono utilizzare i simboli di Lewis.

Ogni puntino rappresenta un elettrone di legame.

La regola dell’ottetto afferma che ogni atomo, quando si lega con altri atomi, assume una configurazione elettronica come quella dei gas nobili, cioè con otto elettroni nel livello più esterno occupato, che viene anche chiamato guscio di valenza.

Questa configurazione più stabile viene raggiunta dagli atomi acquistando, cedendo oppure mettendo in comune uno o più elettroni. Per gli elementi vicini all’elio la configurazione è caratterizzata da una sola coppia di elettroni.

Capitolo 6 I legami chimici 98

I legami chimici: elettroni di legame e simboli di LewisSappiamo già che gli atomi ben difficilmente possono esistere isolati mentre invece si ritrovano uniti in modo permanente con altri atomi per formare aggregati più stabili: ciò che li tiene uniti sono interazioni di natura elettrica che chiamiamo in generale legami chimici.

I legami chimici sono il risultato di un equilibrio tra diverse forze elettriche: forze di repulsione (tra i nuclei e tra gli elettroni) e di attrazione (tra i nuclei e gli elettroni).

La conseguenza è che gli atomi si dispongono a una precisa distanza reciproca e occupano definite posizioni nello spazio ( Figura 1).

NH

HHCl Cl

FeFe

Fe Fe Fe Fe

Fe

Fe Fe Fe Fe

Fe Fe Fe Fe Fe

FeFe

CsF F

FF F

F F

F F

Cs

Cs

Cs Cs

Cs

Cs

CsCs

Cs

Sostanze elementari Sostanze composte

ferro fluoruro di cesiocloro ammoniaca

Figura 1 Rappresentazione di alcune sostanze elementari e composte.

Questa capacità di legarsi degli atomi, come sappiamo, dipende dagli elettroni che si trovano nel livello più esterno.

Gli elettroni impegnati a formare i legami tra gli atomi sono quelli che si trovano negli orbitali di tipo s e p dell’ultimo livello occupato e che vengono chiamati elet-troni di legame.

Per rappresentare gli elettroni di legame di un elemento si possono utilizzare no-tazioni molto semplici, messe a punto dal chimico statunitense G.N. Lewis e per questo chiamate simboli di Lewis.

I simboli di Lewis consentono di rappresentare in forma sintetica con puntini gli elettroni di legame.

Nella Figura 2 sono riportati i simboli di Lewis degli elementi del 2° periodo della tavola periodica; questi consistono semplicemente nel simbolo dell’elemento circondato da tanti puntini quanti sono gli elettroni di legame.

Figura 2 Simboli di Lewis degli elementi del 2° periodo.

NeFONCBBeLi

V VI VII VIIIIVIIIIII

2s 1 2s 2 2s 2 2p 1 2s 2 2p 2 2s 2 2p 3 2s 2 2p 4 2s 2 2p 5 2s 2 2p 6

2°

Per rappresentare il simbolo di Lewis di un elemento si scrive il simbolo e si indivi-duano idealmente quattro zone: sinistra, sopra, destra e sotto. Si disegnano i pun-tini-elettrone collocandoli uno alla volta nelle diverse zone. Quando i puntini sono più di quattro, i successivi vengono disposti in modo da formare una o più coppie. In questo modo si possono distinguere elettroni singoli (o spaiati) ed elettroni ac-coppiati. Gli unici elementi i cui simboli di Lewis presentano soltanto coppie di elettroni sono i gas nobili.

Tale simbologia è uguale per tutti gli elementi dello stesso gruppo contrassegnato con il numero romano ( Figura 3).

I PROTAGONISTI DELLA SCIENZA

GILBERT NEWTON LEWIS (1876-1946) Dal 1912 fino alla morte, Lewis ha lavorato all’Università di Berkeley in California; principalmente a lui si deve la fama raggiunta dal dipartimento di chimica. Compì fondamentali ricerche nel campo della dinamica relativistica, impostata da Einstein. Si interessò dal 1916 alla teoria elettronica della valenza, sviluppando il concetto di electron pair bond (coppia di legame). Fu lui a coniare, nel 1926, il termine fotone, adottato per indicare quelli che Einstein aveva chiamato «quanti di luce».

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

II

2°

3°

4°

5°

6°

7°

Figura 3 I simboli di Lewis dei metalli alcalino-terrosi sono simili perché questi elementi hanno tutti due elettroni di legame.

1 Gli elettroni di legame e la regola dell’ottetto Gli atomi si legano formando aggregati più stabili: i simboli di Lewis

e la regola dell’ottetto aiutano a prevedere il numero di legami

6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



distinguere tra


Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente




Capitolo 6 I legami chimici Lezione 2 Il legame ionico

Viene chiamato legame ionico l’insieme di interazioni di natura elettrica che tiene uniti ioni positivi (i cationi) con ioni negativi (gli anioni), formatisi in seguito al trasferimento di elettroni tra atomi di elementi diversi.

Il sodio ha un solo elettrone di legame mentre il cloro ne ha 7. In base alla regola dell’ottetto un atomo di sodio cede un elettrone a un atomo di cloro; si formano così ioni Na+ e ioni Cl–.

I composti ionici sono tutti solidi a temperatura ambiente; se riscaldati fino alla loro fusione conducono la corrente elettrica.

Questi ioni si dispongono in modo ordinato nello spazio creando strutture cristalline senza limiti precisi.

6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente




Capitolo 6 I legami chimici Lezione 3 Il legame covalente

6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



Viene chiamato legame covalente l’insieme delle forze di natura elettrica che unisce due atomi che mettono in comune una coppia di elettroni, coppia condivisa perché attratta da entrambi i nuclei.

Legame semplice Legame doppio Legame triplo

A differenza del legame ionico, il legame covalente si può formare anche tra atomi uguali e quindi è presente sia nelle sostanze elementari sia nelle sostanze composte.

Quando due atomi condividono due o tre coppie di elettroni i legami sono detti legami multipli.



6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



Nelle formule di Lewis vengono riportati tutti gli atomi della formula, gli elettroni-puntino di ciascun atomo e i legami covalenti, rappresentati con un trattino.

Tutte le sostanze in cui sono presenti solo legami covalenti sono chiamate sostanze covalenti.

Nelle formule di struttura vengono rappresentati solamente i legami tra gli atomi.

Esistono molecole piccole come quelle dell’ammoniaca (NH3) e altre più complesse, come quelle del saccarosio, C12H22O11. Nelle formule di struttura più complesse alcuni legami possono essere omessi.



Alcune proprietà delle sostanze si possono interpretare sapendo che la coppia di elettroni, condivisa in un legame covalente, non è sempre ugualmente attratta dagli atomi legati. L’elettronegatività, scritta in rosso nella tabella, indica proprio la capacità dell’elemento di attrarre gli elettroni di legame.

6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente





6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



Se tra gli atomi che si legano c’è differenza di elettronegatività gli elettroni condivisi sono disposti in modo non simmetrico e il legame prende il nome di covalente polarizzato.

Se tra gli atomi che si legano non c’è differenza di elettronegatività, come sicuramente accade per le sostanze elementari, il legame viene detto covalente apolare o covalente puro.

La differenza di elettronegatività consente di stabilire se un legame è più o meno polarizzato.

6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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definire

rappresentare


I simbolidi Lewis



distinguere tra


Il legameionico

Il legamemetallico

distinguere tra


Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



La polarizzazione del legame è tanto più marcata quanto maggiore è la differenza di elettronegatività tra i due atomi. Il legame è più polarizzato del legame .

105

Il tipo di legame covalente in cui gli elettroni condivisi sono disposti in modo non simmetrico tra i due atomi a causa di una differente elettronegatività prende il nome di legame covalente polarizzato.

Se invece i due atomi sono uguali, come per esempio nella molecola di fluoro, la differenza di elettronegatività è zero e pertanto la distribuzione delle cariche elettri-che è perfettamente simmetrica ( Figura 7).

F FFF + +–

–Formula di Lewis

F (4,0)F (4,0)

Se gli atomi che si legano sono uguali il legame non è polarizzato e viene perciò an-che chiamato legame covalente apolare o legame covalente puro.

Occorre tener presente che il valore di elettronegatività di un singolo atomo di-venta significativo solo quando viene confrontato con quello di un altro atomo. In-fatti la polarizzazione del legame è tanto più marcata quanto maggiore è la diffe-renza di elettronegatività tra i due atomi legati. Per esempio, il legame C — F è più polarizzato del legame C — Br ( Figura 8).

Il legame covalente dativoConsideriamo due acidi dell’azoto: l’acido nitroso (HNO2) e l’acido nitrico (HNO3). In entrambi i composti, ogni atomo, rispettando la regola dell’ottetto, raggiunge una configurazione elettronica stabile ( Figura 9).

Come si vede, nella formula di Lewis dell’acido nitrico compare anche un legame rappresentato con una freccia: si tratta anche in questo caso di un legame covalente, con la differenza però che i due elettroni condivisi provengono entrambi da uno solo dei due atomi, quello di azoto. La configurazione a ottetto dell’atomo di azoto non cambia, ma in questo modo anche il terzo atomo di ossigeno raggiunge una configurazione elettronica stabile. Questo particolare tipo di legame covalente pren-de il nome di legame dativo.

Si ha un legame covalente dativo quando la coppia di elettroni condivisa tra due atomi proviene da uno solo dei due.

Questa tipologia di legame covalente, come abbiamo visto, viene di solito rap-presentata con una freccia che va dall’atomo che fornisce i due elettroni di legame (atomo datore) a quello che li riceve (atomo accettore).

Il legame covalente dativo è presente anche nelle molecole di molti altri composti, per esempio nelle molecole dell’acido perclorico ( Figura 10). Schema riassuntivo dei diversi tipi di legame covalente.

Figura 7

BrF CC2,5 2,82,5 4,0

Figura 8 La differenza di elettronegatività tra il carbonio (2,5) e il bromo (2,8) è 0,3, mentre quella tra il carbonio e il fluoro è 1,5. Pertanto diciamo che gli atomi di fluoro attirano gli elettroni di legame con maggior forza di quelli di bromo.

Figura 9 Formule di Lewis dell’acido nitroso e dell’acido nitrico.

NO OHacido nitroso

NO OHO

acido nitrico

Individua, tra i seguenti legami, quello più polarizzato: C—O N—H P—Cl

Prova tu 2

Figura 10 Nella molecola di acido perclorico il cloro utilizza tutti i suoi 7 elettroni di legame per formare legami covalenti. Di questi ben 3 coppie di elettroni servono per formare 3 legami covalenti dativi con altrettanti atomi di ossigeno.

ClO OHO

O

Lezione 3 Il legame covalente

Doppio legameDue coppie di elettroni condivise tra due atomi.Esempio: 0 = 0

Legame apolare (puro)Atomi dello stesso elemento.Esempio: Cl ‒ Cl

Triplo legameTre coppie di elettroni condivise tra due atomi.Esempio: H ‒ C ≡ C ‒ H

Legame dativoUna coppia di elettroni messa in comune da un solo atomo.Esempio: H ‒ O ‒ Cl → O

Legame polarizzatoAtomi di elementi diversi.Esempio: H Br

Legame sempliceUna coppia di elettroni condivisa tra due atomi.Esempio: H ‒ H

Legamecovalente

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F FFF + +–

–Formula di Lewis

F (4,0)F (4,0)








Figura 7

BrF CC2,5 2,82,5 4,0



NO OHacido nitroso

NO OHO

acido nitrico


Prova tu 2


ClO OHO

O








Legamecovalente



6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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Il legamemetallico

distinguere tra



riconoscere valutare

Legami chimicie classificazione delle sostanzeSi ha un legame covalente dativo quando la coppia

di elettroni condivisa tra due atomi proviene da uno solo dei due.

Questa tipologia di legame covalente viene di solito rappresentata con una freccia che va dall’atomo che fornisce i due elettroni di legame (atomo datore) a quello che li riceve (atomo accettore).

Nella molecola di acido perclorico il cloro utilizza ben 3 coppie di elettroni per formare 3 legami covalenti dativi con altrettanti atomi di ossigeno.

legame covalente dativo

105



F FFF + +–

–Formula di Lewis

F (4,0)F (4,0)








Figura 7

BrF CC2,5 2,82,5 4,0



NO OHacido nitroso

NO OHO

acido nitrico


Prova tu 2


ClO OHO

O








Legamecovalente


Capitolo 6 I legami chimici Lezione 4 Il legame metallico

6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente


Legami chimicie classificazione delle sostanze Viene chiamato legame metallico l’insieme di interazioni

di natura elettrica che si stabilisce tra gli ioni positivi del metallo e gli elettroni di legame in cui sono immersi.

La struttura cristallina dei metalli può essere immaginata come un insieme ordinato di ioni positivi immersi in un mare di elettroni mobili. Questo modello spiega la capacità dei metalli di condurre la corrente elettrica e il calore.

Simbolo di Lewis dell’alluminio e rappresentazione del legame metallico

6 I legami chimici


2 Il legame ionico





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I simbolidi Lewis



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Il legameionico

Il legamemetallico

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Le formuledi Lewis


Il legamecovalente



Anche la lavorabilità dei metalli si spiega proprio considerando il modello di legame metallico: una deformazione dei cristalli dei metalli non crea squilibri tra le forze elettriche.


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Mappa di sintesi

I legami chimiciCapitolo 6

Simbolo di Lewis

N

Legame ionico

Cs+F– F–

F–F– F–

F– F–

F– F–

Cs+

Cs+

Cs+ Cs+

Cs+

Cs+

Cs+

Cs+

Cs+

Legame covalente dativo

NO OH

O

Legame metallico

Al3+ Al3+ Al3+ Al3+

Al3+ Al3+ Al3+

Al3+ Al3+ Al3+ Al3+

I legami chimici sono il risultato dell’equilibriotra forze elettriche capaci di tenere uniti gli atomi

Gli elettroni di legame si trovano negli orbitali s e p dell’ultimo livello occupato.

La differenza di elettronegatività consente di stabilire se il legame è polarizzato.

Legame covalente puro

F ─ F

Legame covalente polarizzato

H Cl

Formula di Lewis

OH

HLa regola dell’ottetto consente di prevedere quanti legami si possono formare tra gli atomi.

Classificazione delle sostanze

Conducono la corrente elettrica allo stato solido e allo stato liquido e sono buoni conduttori di calore.

Sono duttili e malleabili.Metalli (zinco)

Sostanze macromolecolari (diamante, silice)

Sostanze elementari

Sostanze compostePresentano alta temperatura di fusione.

Sono duri e fragili.

Conducono la corrente elettrica allo stato liquido.

Composti ionici (costituiti da ioni mono o poliatomici (NaCl, CaCO3)

Sostanze molecolari (ossigeno, metano)

Non conducono la corrente elettrica.

Legame covalente

F F

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