Un legame covalente si ottiene quando due atomi condividono una coppia di elettroni. La forza attrattiva deriva dal fatto che gli elettroni sono attratti da entrambi i nuclei. Nel normale legame covalente ogni atomo impegnato nel legame fornisce un elettrone. Il legame dativo o di coordinazione differisce per il fatto che entrambi gli elettroni condivisi derivano dallo stesso atomo. Viene spesso indicato da una freccia che parte dall'atomo donatore e raggiunge l'atomo accettore della coppia di elettroni.
Formazione dello ione ammonio
Se l'ammoniaca va a contatto con il protone (prodotto ad esempio dalla dissociazione di una acido) si forma lo ione ammonio a struttura tetraedrica. La reazione avviene anche a livello gassoso, ad esempio per reazione con il cloruro di idrogeno si ottiene un solido bianco:
Il protone presenta un orbitale vuoto, mentre l'ammoniaca dispone di una coppia di elettroni non impegnata in legame (lone pair). Si può pensare che l'ammoniaca metta in conpartecipazione con il protone tale doppietto elettronico con la formazione di un legame covalente dativo. Una volta che si é formato, non sarà più possibile distinguere il legame dativo dagli altri, in quanto la carica positiva risulta equamente delocalizzata nell'intera molecola.
Formazione dello ione idronio (o idrossonio o ossonio: strutturalmente simile a NH3)
Legame metallico
Il legame metallico tiene uniti tra loro gli atomi nei metalli (ad esempio gli atomi di ferro in una sbarra di ferro). Un metallo può essere considerato come un reticolato di ioni positivi immersi in una specie di nube di elettroni. Dato che ogni atomo è circondato da un numero troppo grande di altri atomi per poter scambiare elettroni, si ha la sovrapposizione degli orbitali atomici di ciascun atomo con la formazione di una nube di elettroni, liberi di spostarsi da un atomo all’altro.
Il legame metallico è quindi dovuto alla forza di attrazione che si esercita tra gli ioni positivi e la nube di elettroni.
Il legame metallico è un tipo di legame molto particolare. In due parole si potrebbe definirlo come una estensione del legame covalente. Infatti gli atomi che formano i metalli tendono a formare un unico gigantesco unico orbitale di legame generale dove gli elettroni di legame non hanno più un atomo in particolare cui fare riferimento, ma si muovono da un atomo all'altro, essendo quindi in grado di creare di volta in volta un legame tra atomi diversi anche se solo per un piccolissima frazione di secondo. La grande resistenza dei metalli si spiega proprio nella enorme quantità di elettroni che contribuiscono a legare fra loro gli atomi: è come immaginare cento persone che fanno a turno a reggere un palo diciamo 20 alla volta e si danno il cambio in continuazione: non c'è un legame fisso ma tuttavia il palo rimane sempre in piedi.
Modello a mare di elettroni
La caratteristica di avere gli elettroni esterni estremamente liberi di muoversi da atomo ad atomo spiega anche le loro proprietà di trasmettere la corrente elettrica, come il rame di cui sono fatti i fili elettrici, meglio ancora fa il platino, ma sarebbe un po' costoso….(vedi fulmini)
Andando a guardare la tavola periodica degli elementi, si scopre che la gran parte di essi sono metalli. Questi, da un punto di vista macroscopico e quando sono puri (cioè formati da una sola specie di atomi), godono di peculiari proprietà tra le quali:
1) buona conducibilità elettrica e termica;
2) elevata densità (ad eccezione dei metalli leggeri e di quelli alcalini);
3) elevati punti di fusione e di ebollizione;
4) molto riflettenti;
5) duttilità e malleabilità;
6) struttura cristallina.
La teoria delle bande è stata utilizzata per spiegare le proprietà dei metalli.
Quando si studiano i solidi costituiti da un numero infinito di atomi è un errore comune considerare ciascun atomo individualmente, è più corretto invece considerare il solido come un’ entità unica, potendo così descrivere metalli o altri solidi tenendo conto delle loro proprietà uniche, chimiche e fisiche.
Si parte quindi dalla teoria degli orbitali molecolari che sostiene che se gli atomi si legano si generano orbitali di legame e di anti-legame di energie differenti, se vengono legati N atomi si generano N orbitali molecolari
Molecola biatomica:
Molecola triatomica:.
Si formano un orbitale legante, uno non legante, uno antilegante.
Alcune regole derivate dalla teoria degli orbitali molecolari possono essere utilizzate:
- Scegliere gli orbitali atomici per produrre gli orbitali molecolari - N orbitali molecolari possono essere prodotti da N orbitali atomici
- Il principio di esclusione di Pauli dice che ogni orbitale molecolare deve essere riempito da elettroni con spin antiparallelo
E’ stata in precedenza presentata la sequenza di livelli energetici per la molecola di ossigeno.
Se si considera una molecola formata da numero elevato ma finito di atomi che impiegano nei legami un numero finito di orbitali p, gli orbitali molecolari aumenteranno con la conseguenza di una diminuzione della differenza di energia tra ciascun orbitale molecolare, mentre la differenza di energia tra il più basso orbitale molecolare legante e il più alto anti-legante aumenta.
Se consideriamo un solido nel quale gli atomi sono infiniti e di conseguenza gli orbitali atomici sono infiniti, avremo una banda di energia, dovuta alla sovrapposizione degli orbitali atomici, per cui le proprietà dei solidi saranno dovute alla sovrapposizione degli orbitali atomici.
La rappresentazione finale degli orbitali molecolari è quella riportata qui sotto.
Come già detto in precedenza,quando si riempiono con gli elettroni gli orbitali molecolari contenuti in una banda, si parte dall’orbitale molecolare con l’energia più bassa, si collocano due elettroni per orbitale con spin antiparallelo e quando ci sono più orbitali con la stessa energia gli elettroni si collocano in orbitali differenti con spin parallelo. Se ogni orbitale atomico che contribuisce agli orbitali molecolari contiene solo un elettrone, la banda sarà mezza piena, poiché ci sono N elettroni per N orbitali molecolari, che possono contenere 2N elettroni e sono piene solo in questo caso.
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Nel caso una banda sia parzialmente piena, l’occupazione dei livelli di energia avviene secondo la Fermi-Dirac Distribution, secondo la quale la banda è esattamente piena per metà solamente a T=0K e l’energia più elevata dell’ultimo orbitale pieno è detta Fermi energy. Per temperature superiori , gli elettroni cominciano per eccitazione termica ad occupare livelli superiori, secondo la distribuzione sotto riportata.
Si vede chiaramente che a temperature maggiori di 0 K, l’occupazione degli orbitali molecolari sopra l’energia di Fermi, questo sta ad indicare che gli elettroni vicino al livello di Fermi sono abbastanza mobili e possono spostarsi per tutto il solido.
Legami deboli o interazioni deboli
La forza di un legame chimico viene stabilita in base alla energia del legame (corrispondente all'energia necessaria per spezzarlo):
a) INTERAZIONI DIPOLARI (forze di van der Waals) b) LEGAMI IDROGENO
Interazioni dipolari
Sono di natura essenzialmente elettrostatica Forze DIPOLO - DIPOLO
Tutte le molecole tra le quali esiste questo tipo di interazione sono polari e tendono ad orientarsi disponendosi testa-coda con il risultato di una forza attrattiva (esempi: H2O*, H2S, SO2)