I legami chimici sono le forze che tengono uniti gli atomi nelle molecole e nei cristalli: capirli significa spiegare perché il sale si scioglie in acqua, perché il diamante è durissimo e perché l'ossigeno che respiriamo viaggia a coppie di atomi.
Guardati intorno: ogni oggetto che tocchi, dall'acqua del bicchiere allo schermo del telefono, esiste perché miliardi di atomi sono incollati gli uni agli altri. Quel collante invisibile si chiama legame chimico ed è il vero protagonista della chimica. Senza legami non avremmo molecole, non avremmo materiali, non avremmo nemmeno noi stessi, fatti come siamo di catene di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Studiare i legami significa quindi rispondere a una domanda profonda: perché gli atomi, che da soli sarebbero felicemente isolati, decidono di unirsi?
Perché gli atomi si legano: la regola dell'ottetto
Gli atomi tendono a unirsi per raggiungere una configurazione elettronica più stabile, simile a quella dei gas nobili come neon, argon o kripton. Questi gas, infatti, hanno otto elettroni nel guscio più esterno (due nel caso dell'elio) e per questo motivo sono praticamente inerti: non reagiscono quasi con nessuno. La regola dell'ottetto, formulata da Lewis nei primi del Novecento, afferma che gli atomi tendono a guadagnare, perdere o condividere elettroni fino a circondarsi di otto elettroni di valenza. Immagina ogni atomo come una persona che vuole avere il portafoglio pieno: alcuni rubano spiccioli, altri li regalano, altri ancora li condividono con un amico per arrivare alla cifra desiderata. Il sodio, per esempio, ha un solo elettrone nel guscio esterno e preferisce cederlo, mentre il cloro, che ne ha sette, è ben felice di accettarlo per arrivare a otto.
Il legame ionico: quando un atomo cede e l'altro acquista
Il legame ionico si forma quando la differenza di elettronegatività tra due atomi è molto grande, indicativamente superiore a 1,9 sulla scala di Pauling. In questa situazione un atomo strappa letteralmente uno o più elettroni all'altro, trasformandosi in uno ione positivo (catione), mentre il partner derubato diventa uno ione negativo (anione). Le due cariche opposte si attraggono con una forza elettrostatica intensa, descritta dalla legge di Coulomb, e formano un reticolo cristallino tridimensionale ordinatissimo. Pensa al comune sale da cucina, il cloruro di sodio: ogni ione sodio è circondato da sei ioni cloruro e viceversa, in una struttura cubica che spiega perché i cristalli di sale hanno facce piatte e angoli netti. Questa organizzazione regolare è anche il motivo per cui i composti ionici hanno temperature di fusione molto alte, intorno agli 801 gradi nel caso del cloruro di sodio: rompere il reticolo richiede tantissima energia. Inoltre, una volta sciolti in acqua o fusi, conducono corrente elettrica perché gli ioni diventano liberi di muoversi.
Il legame covalente: condividere è meglio che cedere
Quando due atomi hanno elettronegatività simili o entrambe elevate, nessuno dei due riesce a strappare elettroni all'altro: la soluzione è la condivisione. Nasce così il legame covalente, in cui ciascun atomo mette in comune uno, due o tre elettroni con il partner, formando rispettivamente un legame singolo, doppio o triplo. La molecola di idrogeno H₂ è l'esempio più semplice: due atomi di idrogeno, ciascuno con un solo elettrone, condividono i loro due elettroni e si ritrovano entrambi con la configurazione stabile dell'elio. Nella molecola di ossigeno O₂ la condivisione coinvolge quattro elettroni e si parla di doppio legame, mentre nell'azoto N₂ ne sono condivisi sei e il legame è triplo: per questo l'azoto atmosferico è così difficile da rompere ed è chimicamente inerte. Quando i due atomi che condividono hanno elettronegatività diverse ma non troppo (tra 0,4 e 1,9), il legame si dice covalente polare e gli elettroni sono attratti più verso l'atomo più elettronegativo, creando piccole cariche parziali, indicate con δ+ e δ-. L'acqua è l'esempio più famoso: l'ossigeno tira a sé gli elettroni più dell'idrogeno e questo squilibrio rende la molecola un piccolo dipolo.
Il legame metallico: un mare di elettroni
Nei metalli accade qualcosa di affascinante e diverso dagli altri legami: gli atomi mettono in comune i loro elettroni di valenza non con un singolo partner, ma con tutti gli atomi vicini, formando un mare delocalizzato. Gli ioni positivi rimangono ordinati in un reticolo cristallino, mentre gli elettroni si muovono liberamente come un fluido attorno a loro. Questa delocalizzazione spiega molte proprietà tipiche dei metalli che usiamo ogni giorno. La conducibilità elettrica del rame nei cavi è dovuta proprio agli elettroni liberi che si spostano sotto l'effetto di un campo elettrico, mentre la lucentezza dell'argento dipende dalla capacità di quegli stessi elettroni di assorbire e riemettere la luce. Inoltre, quando martelli un pezzo di rame, gli ioni positivi possono scorrere gli uni sugli altri senza rompere il legame, perché il mare di elettroni si riadatta: ecco perché i metalli sono malleabili e duttili, e si possono trasformare in fili sottilissimi o in lamine. Il ferro, l'alluminio, l'oro: tutti i metalli che conosci devono le loro caratteristiche a questo modello.
Le forze intermolecolari: legami deboli ma decisivi
Oltre ai legami forti che tengono insieme gli atomi dentro una molecola, esistono forze più deboli che agiscono tra molecole diverse e che chiamiamo forze intermolecolari. Le più importanti sono le forze di Van der Waals, i legami dipolo-dipolo e il legame a idrogeno, particolarmente intenso e responsabile di proprietà fondamentali della materia. Il legame a idrogeno si forma quando un atomo di idrogeno, legato a un elemento molto elettronegativo come ossigeno, azoto o fluoro, è attratto dal doppietto elettronico di un altro atomo elettronegativo vicino. Nell'acqua questo tipo di interazione spiega perché bolle a 100 gradi invece che a temperature molto più basse come ci si aspetterebbe da una molecola così piccola, e perché il ghiaccio galleggia: il reticolo ordinato di legami a idrogeno occupa più spazio rispetto all'acqua liquida. Senza il legame a idrogeno non avremmo neppure la doppia elica del DNA, dove le due catene sono tenute insieme proprio da questi ponti delicati ma numerosissimi tra le basi azotate.
Ricorda
Punti chiave da fissare prima di chiudere il quaderno:
- Gli atomi si legano per raggiungere l'ottetto e diventare stabili come i gas nobili.
- Il legame ionico nasce dal trasferimento di elettroni tra atomi con elettronegatività molto diverse e dà reticoli cristallini ad alta temperatura di fusione.
- Il legame covalente nasce dalla condivisione di elettroni e può essere puro o polare a seconda della differenza di elettronegatività.
- Il legame metallico si basa su un mare di elettroni delocalizzati che spiega conducibilità, lucentezza e malleabilità.
- Le forze intermolecolari, come il legame a idrogeno, sono deboli singolarmente ma determinano proprietà macroscopiche come il punto di ebollizione dell'acqua.
Esercizio attivo di verifica da svolgere sul quaderno: prendi tre sostanze diverse della tua vita quotidiana, per esempio lo zucchero, una pentola di alluminio e una bustina di sale grosso, e per ciascuna scrivi quale tipo di legame chimico tiene unite le sue particelle. Motiva ogni risposta in due o tre righe collegandola almeno a una proprietà osservabile della sostanza, come la conducibilità, la solubilità in acqua o la temperatura di fusione.