legame cristallino

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legame chimico: Struttura atomica e legame

Per comprendere la formazione di legami, è necessario conoscere le caratteristiche generali della struttura elettronica degli atomi, cioè la disposizione…

1. Gli elettroni possono essere trasferiti da un atomo all’altro.
2. Gli elettroni possono essere condivisi tra atomi vicini.
3. Gli elettroni possono essere condivisi con tutti gli atomi di un materiale.

Il primo modo dà origine a quello che viene chiamato un legame ionico. Consideriamo ad esempio un atomo di sodio, che ha un elettrone nella sua orbita più esterna, che si avvicina a un atomo di cloro, che ne ha sette. Poiché occorrono otto elettroni per riempire il guscio più esterno di questi atomi, l’atomo di cloro può essere pensato come mancante di un elettrone. L’atomo di sodio dona il suo singolo elettrone di valenza per riempire il foro nel guscio di cloro, formando un sistema di cloruro di sodio a un livello di energia totale inferiore.

Un atomo che ha più o meno elettroni in orbita rispetto ai protoni nel suo nucleo è chiamato ion. Una volta che l’elettrone dal suo guscio di valenza è stato trasferito, l’atomo di sodio mancherà un elettrone; quindi avrà una carica positiva e diventerà uno ion di sodio. Allo stesso tempo, l’atomo di cloro, avendo guadagnato un elettrone in più, assumerà una carica negativa e diventerà uno chlorine cloro. La forza elettrica tra questi due ioni caricati in modo opposto è attraente e li blocca insieme. Il composto di cloruro di sodio risultante è un cristallo cubico, comunemente noto come sale da tavola ordinario.

La seconda strategia di legame sopra elencata è descritta dalla meccanica quantistica. Quando due atomi si avvicinano l’uno all’altro, possono condividere una coppia di elettroni più esterni (si pensi agli atomi che lanciano gli elettroni avanti e indietro tra di loro) per formare un legame covalente. I legami covalenti sono particolarmente comuni nei materiali organici, dove le molecole contengono spesso lunghe catene di atomi di carbonio (che hanno quattro elettroni nei loro gusci di valenza).

Infine, in alcuni materiali ogni atomo cede un elettrone esterno che poi galleggia liberamente—in sostanza, l’elettrone è condiviso da tutti gli atomi all’interno del materiale. Gli elettroni formano una sorta di mare in cui gli ioni positivi galleggiano come biglie nella melassa. Questo è chiamato il legame metallico e, come suggerisce il nome, è ciò che tiene insieme i metalli.

Ci sono anche modi per atomi e molecole di legarsi senza scambiare o condividere elettroni. In molte molecole le forze interne sono tali che gli elettroni tendono a raggrupparsi ad un’estremità della molecola, lasciando l’altra estremità con una carica positiva. Nel complesso, la molecola non ha carica elettrica netta-è solo che le cariche positive e negative si trovano in luoghi diversi. Ad esempio, in acqua (H2O) gli elettroni tendono a trascorrere la maggior parte del loro tempo vicino all’atomo di ossigeno, lasciando la regione degli atomi di idrogeno con una carica positiva. Le molecole le cui cariche sono disposte in questo modo sono chiamate molecole polari. Un atomo o uno ion che si avvicina a una molecola polare dal suo lato negativo, ad esempio, sperimenterà una forza elettrica negativa più forte della forza elettrica positiva più distante. Questo è il motivo per cui molte sostanze si dissolvono in acqua: la molecola d’acqua polare può estrarre gli ioni dai materiali esercitando forze elettriche. Un caso speciale di forze polari si verifica in quello che viene chiamato il legame idrogeno. In molte situazioni, quando l’idrogeno forma un legame covalente con un altro atomo, gli elettroni si muovono verso quell’atomo e l’idrogeno acquisisce una leggera carica positiva. L’idrogeno, a sua volta, attrae un altro atomo, formando così una sorta di ponte tra i due. Molte molecole importanti, incluso il DNA, dipendono dai legami idrogeno per la loro struttura.

Infine, c’è un modo per formare un legame debole tra due atomi elettricamente neutri. Il fisico olandese Johannes van der Waals teorizzò per la prima volta un meccanismo per tale legame nel 1873, ed è ora noto come forze di van der Waals. Quando due atomi si avvicinano l’un l’altro, le loro nuvole di elettroni esercitano forze repulsive l’una sull’altra, in modo che gli atomi si polarizzino. In tali situazioni, è possibile che l’attrazione elettrica tra il nucleo di un atomo e gli elettroni dell’altro supererà le forze repulsive tra gli elettroni e si formerà un legame debole. Un esempio di questa forza può essere visto nel normale piombo a matita di grafite. In questo materiale, gli atomi di carbonio sono tenuti insieme in fogli da forti legami covalenti, ma i fogli sono tenuti insieme solo dalle forze di van der Waals. Quando una matita viene disegnata sulla carta, le forze di van der Waals si rompono e i fogli di carbonio si staccano. Questo è ciò che crea la striscia di matita scura.