LA GEOMETRIA MOLECOLARE

Le molecole, grazie ai legami covalenti, possono creare strutture geometriche ben distinte, essendo i legami orientati nello spazio in modo da formare angoli di legame. Nel 1957 viene formulata la teoria del VSEPR (Valence Shell Electronic Pair Repulsion) la quale afferma che gli atomi di una molecola si dispongono nello spazio, intorno a un atomo centrale, in base alle forze repulsive che si stabiliscono fra le coppie di elettroni del livello di valenza. In alcune molecole esistono coppie spaiate di elettroni non impegnati dette doppietti elettronici liberi (lone pairs).
La costruzione delle molecole permette di spiegare anche alcune proprietà come la polarità ossia molecole che si comportano come piccoli dipoli elettrici, esistono però anche molecole che non risentono di questo effetto e vengono dette, quindi, apolari.

Teoria VSEPR

LA TEORIA DELL'ORBITALE MOLECOLARE

La teoria dell'orbitale molecolare tenta di spiegare ciò che la teoria del legame di valenza lascia incolmato, ossia il fatto di considerare immutati gli orbitali atomici contraenti dopo la formazione del legame e l'incapacità di spiegare le proprietà magnetiche di varie molecole.
Questa teoria fu proposta per la prima volta da Hund e Mulliken.
Secondo questa teoria: secondo il principio di Aufbau gli elettroni occupano orbitali con energia più bassa, ossia più stabili, passando a quelli con energia più elevata solo dopo averli saturati; il numero di orbitali molecolari è uguale a quello degli orbitali atomici; secondo il principio di Hund quando ci sono due orbitali con energia uguale in ognuno di essi si posiziona un solo elettrone; secondo il principio di Pauli ogni orbitale contiene due elettroni con spin antiparallelo.
Gli orbitali molecolari possono essere definiti leganti, se gli elettroni soggiornano maggiormente nello spazio tra i due nuclei ottenendo maggiori possibilità di legame, o antileganti nel caso opposto.

LEGAMI SIGMA E LEGAMI PIGRECO

La lunghezza e l'energia di un legame dipendono dalla modalità di sovrapposizione: quando i due orbitali si sovrappongono frontalmente si ottiene un legame molto solido di forma ovoidale denominato sigma; quando invece la sovrapposizione è laterale si genera un legame pigreco.

Legami sigma e pigreco

GLI ORBITALI IBRIDI

Può capitare che la distribuzione elettronica degli atomi subisca delle alterazioni ove alcune coppie di elettroni si spaiano e vanno ad occupare orbitali elettronici vuoti con energia di poco superiore: si ottiene quindi la promozione dell'elettrone all'altro orbitale.

Orbitali ibridi sp, sp2 e sp3

LA TEORIA DEL LEGAME DI VALENZA

Dopo la scoperta della doppia natura dell'elettrone si affermò, negli anni Trenta, la teoria di orbitale atomico.
La teoria del legame di valenza afferma che un legame chimico si forma spontaneamente tra due atomi che presentino orbitali semivuoti (o incompleti) al fine di completare la saturazione. In questo caso non si cerca più di completare l'ottetto elettronico, ma di saturare orbitali incompleti ed instabili. Il legame si crea quando due atomi si avvicinano sufficientemente da sovrapporre i loro orbitali; così facendo i due elettroni di legame apparterranno ad entrambi gli elettroni nella zona di legame. Dal punto di vista energetico è fondamentale una riduzione dell'energia potenziale attraverso l'aumento di forze attrattive all'interno del legame atomico (nucleo 1-elettroni 2; nucleo 2-elettroni 1). Il picco minimo di energia potenziale si trova ad una determinata distanza tra i due nuclei (nel caso del legame H-H a 74 pm) e più essi si avvicinano più l'energia potenziale tende ad aumentare, fino alla rottura del legame.

Schema energia potenziale

L'IBRIDO DI RISONANZA

Secondo la scrittura delle molecole di Lewis talvolta la creazione di una sola struttura non basta ed è necessario crearne delle ulteriori. Questo processo di "mediazione" tra le varie strutture create viene detto risonanza e la struttura molecolare viene definita ibrido di risonanza.
Nella scrittura tutte le strutture parziali vengono scritte e collegate tra loro mediante una doppia freccia ( <=> ). Per definire la stabilità delle forme limite si può calcolare la carica formale, ossia la carica dei legami di un atomo quando essi sono tutti covalenti: carica formale = e.v. tot. - (e. tot. coppie di non legame + metà e. tot. in coppie di legame).

Ibrido di risonanza

IL LEGAME DATIVO

In alcuni casi gli elettroni messi in gioco provengono da un solo atomo: tempo fa questo caso veniva chiamato legame dativo, dove vi era un atomo "donatore" e un atomo "accettatore". Tuttavia si può definire come legame covalente a tutti gli effetti.

Legame dativo (NH4)

L'ELETTRONEGATIVITA'

Quando si crea un legame può capitare che uno dei due atomi riesca a "strappare" all'altro il/gli elettrone/i messi in gioco. Ciò è determinato da un'energia chiamata elettronegatività, che viene definita come la capacità che un atomo possiede di attrarre verso di sè la coppia di elettroni messa in gioco in un legame chimico. A seconda della differenza di elettronegatività si possono ottenere formazioni diverse a seconda della differenza di elettronegatività presente tra gli atomi:

• se questa si trova tra 0 e 0,4 si ottiene un legame covalente puro (o omopolare), dove il legame viene condiviso in egual misura; 
• se la differenza è situata tra 0,4 e 1,9 si ha un legame covalente polare: a causa della maggiore attrazione elettronegativa di uno degli atomi si ottiene una differenza ionica positiva da una parte e negativa dall'altra; 
• se la differenza è maggiore di 1,9 allora si crea un legame ionico (o eteropolare): si ottengono due ioni di segno opposto e le varie molecole, aggregandosi, creano una formazione ben precisa chiamata reticolo cristallino.

Legame puro

Legame polare

Legame ionico

IL LEGAME COVALENTE

Nel 1916 Gilbert Lewis crea una prima "interpretazione elettronica" del legame covalente: osservando il gruppo dei gas nobili notò che, nel livello energetico più esterno, vi erano sempre otto elettroni a cui diede il nome di ottetto elettronico. Ipotizzò quindi che ciascun atomo tende per natura a creare tale configurazione elettronica in vari modi: condividendo i loro elettroni, perdendoli o acquistandoli (dando vita, quindi, a ioni positivi e ioni negativi). Si può quindi definire il legame covalente come la condivisione da parte di due atomi di una o più coppie di elettroni di legame.
Quando viene messa in condivisione una sola coppia di elettroni si crea un legame semplice; di conseguenza una condivisione di due o tre coppie di elettroni creerà un legame doppio o triplo.

L'ENERGIA DI LEGAME

Quando un legame atomico viene scisso è necessaria una determinata quantità di energia affinchè il procedimento vada a termine. In caso contrario ossia quando viene realizzato un legame atomico, la stessa quantità di energia viene rilasciata. Questo quantitativo di energia, diverso da coppia a coppia di atomi, viene detto energia di legame.
In sintesi, l'energia di legame è la quantità di energia per mole necessaria a rompere un dato legame o anche l'energia sviluppata per mole quando si  forma tale legame.

CHE COS'E' IL LEGAME CHIMICO

Nel 20° secolo si cercò di interpretare la valenza in base alla struttura elettronica degli atomi secondo il modello atomico di Bohr. Oggi, invece, è risaputo che gli atomi sono legati tra di loro mediante gli elettroni di valenza, ossia gli elettroni presenti nel livello energetico più esterno; aggregandosi mediante legami intramolecolari danno vita alle molecole, che a loro volta sono legate tra loro grazie ai legami intermolecolari.
Secondo varie osservazioni sperimentali si è arrivati alla conclusione che gli atomi tendono spontaneamente a legarsi e a stabilizzarsi in uno strato a energia minima. Il legame si forma dato che la forza attrattiva elettrostatica di un nucleo non agisce solo sui propri elettroni ma tende a propagarsi anche sugli atomi vicini.