Legame covalente

La teoria di Lewis

In moltissimi casi il meccanismo che porta alla formazione di un legame ionico tra due atomi non può essere preso in considerazione; ad esempio quando due atomi d’idrogeno o due di cloro si legano insieme formando rispettivamente le molecole biatomiche H₂ o Cl₂, è evidente che il meccanismo di formazione del legame fra i due atomi non può ricercarsi nel trasferimento di un elettrone dall’uno all’altro con la conseguente attrazione fra gli ioni che si sono ottenuti: infatti data l’identità fra i due atomi, non può uno avere la tendenza a liberarsi di un elettrone e l’altro ad acquistarlo; ma non solo quando si tratti di atomi uguali si deve cercare un altro meccanismo per interpretare la formazione del legame fra di essi, sono innumerevoli i composti per i quali è assolutamente impossibile interpretare il legame sulla base del modello del legame ionica, basti pensare all’acqua H₂O, all’ammoniaca NH₃, all’anidride carbonica CO₂, al metano CH₄

Il primo abbozzo d’una teoria del legame covalente risale ai lavori del chimico americano Gilbert Newton Lewis (1916). Nel legame covalente gli atomi che si legano condividono coppie di elettroni (dette coppie elettroniche di legame) realizzate mettendo in comune tra di loro gli elettroni singoli (elettroni spaiati) presenti negli orbitali del livello di valenza, raggiungendo in tal modo la configurazione stabile ad ottetto tipica dei gas nobili.

Molecola biatomica di idrogeno H₂

Consideriamo il caso più semplice, quello della combinazione di due atomi di idrogeno che unendosi fra loro formano la molecola biatomica H₂. A ciascuno dei due atomi di idrogeno manca un elettrone per essere isoelettronico con l’atomo di elio, la cui configurazione elettronica è un esempio di alta stabilità. Quando i due atomi si avvicinano, può essere realizzata per entrambi una struttura elettronica uguale a quella dell’elio, mettendo ciascuno a disposizione anche dell’altro il proprio elettrone di valenza: infatti i due elettroni messi in comune, e condivisi, dai due atomi appartengono insieme all’uno e all’altro, ruotando entrambi attorno all’uno e all’altro nucleo, e il risultato è che ciascuno dei due atomi, col contributo dell’altro a cui si lega saldamente, completa la propria struttura elettronica raggiungendo la configurazione più stabile dell’elio.

La coppia di elettroni condivisi dai due atomi costituisce il legame covalente fra di essi. Usando la simbologia di Lewis la formazione della molecola H₂ da due atomi di idrogeno può essere schematizzata così:

Nella rappresentazione d’un legame covalente è più comodo e sbrigativo, usare al posto della coppia di puntini che rappresentano il doppietto elettronico condiviso dai due atomi, un semplice trattino: H-H

Molecola biatomica di cloro Cl₂

Cnsideriamo la formazione della molecola Cl₂ da due atomi di cloro. Poiché la configurazione degli atomi di cloro è ₁₇Cl = [Ne]3s²3p⁵ , a ciascun atomo di cloro manca un solo elettrone per il completamento dell’ottetto esterno tipico dell’argon: tale completamento e di conseguenza il raggiungimento di uno stato di particolare stabilità, si può realizzare quando i due atomi, legandosi tra di loro, mettono in comune una coppia di elettroni, provenienti uno da un atomo ed uno dall’altro.

Usando la simbologia di Lewis la formazione della molecola Cl₂ da due atomi di idrogeno può essere schematizzata così:

Gli esempi illustrati rappresentano casi in cui fra i due atomi è condivisa una sola coppia elettronica di legame, il tipo di legame è detto legame semplice; ma spesso accade che due atomi si leghino insieme condividendo più di una coppia di elettroni. Da questa situazione deriva il concetto di legami multipli, e precisamente di legame doppio, se fra due atomi sono condivise due coppie di elettroni, e di legame triplo se le coppie di elettroni sono tre. Non si conoscono legami con più di tre coppie di elettroni condivisi. Anche in questi casi gli atomi che si legano condividendo più coppie elettroniche di legame raggiungono in definitiva la configurazione stabile ad ottetto tipica dei gas nobili.

Molecola biatomica di ossigeno O₂

Esaminiamo la combinazione di due atomi di ossigeno che legandosi tra loro formano la molecola biatomica O₂. Poiché la configurazione degli atomi di ossigeno è: ₈O = 1s²2s²2p⁴ ; a ciascuno dei due atomi mancano due elettrone per essere isoelettronici con l’atomo di neon la cui configurazione elettronica è ₁₀Ne = 1s²2s²2p⁶. Quando i due atomi di ossigeno si avvicinano, può essere realizzata per entrambi una struttura elettronica analoga a quella del neon, condividendo ciascuno con l’altro i due elettroni spaiati del livello di valenza: infatti i quattro elettroni messi in comune dai due atomi di ossigeno appartengono ad entrambi, ruotando attorno all’uno e all’altro nucleo, e il risultato è che ciascuno dei due atomi, col contributo dell’altro a cui si lega, completa la propria struttura elettronica raggiungendo la configurazione ad ottetto propria del neon.

I quattro elettroni  condivisi dai due atomi costituisce due coppie elettroniche di legame covalente, il legame in questo caso è detto: legame doppio. Usando la simbologia di Lewis la formazione della molecola O₂ da due atomi di ossigeno può essere schematizzata così:

Nella rappresentazione di un doppio legame covalente è più comodo e sbrigativo, usare al posto delle due coppie di puntini che rappresentano i quattro elettroni condivisi dai due atomi, due trattino sovrapposti: O = O

Molecola biatomica di ossigeno N₂

Consideriamo la combinazione di due atomi di azoto che legandosi tra loro formano la molecola biatomica N₂. Poiché la configurazione degli atomi di azoto: ₇N = 1s²2s²2p³ ; a ciascuno dei due atomi mancano tre elettrone per essere isoelettronico con l’atomo di neon la cui configurazione elettronica è ₁₀Ne = 1s²2s²2p⁶. Quando i due atomi si avvicinano, può essere realizzata per entrambi una struttura elettronica uguale a quella del neon, condividendo con l’altro atomo i tre elettroni spaiati del livello di valenza: infatti i sei elettroni messi in comune dai due atomi di azoto appartengono ad entrambi, ruotando attorno all’uno e all’altro nucleo, e il risultato è che ciascuno dei due atomi, col contributo dell’altro a cui si lega, completa la propria struttura elettronica raggiungendo la configurazione ad ottetto propria del neon.

I sei elettroni condivisi dai due atomi di azoto costituiscono tre coppie elettroniche di legame covalente, il legame in questo caso è detto: legame triplo. Usando la simbologia di Lewis la formazione della molecola N₂ da due atomi di azoto può essere schematizzata così:

Nella rappresentazione di un triplo legame covalente è più comodo e sbrigativo, usare al posto delle tre coppie di puntini che rappresentano i sei elettroni condivisi dai due atomi, tre trattino sovrapposti: 

Molecola biatomica di acido cloridrico HCl

Con lo stesso meccanismo di legame possono combinarsi anche atomi di elementi diversi, per esempio l’acido cloridrico è formato da molecole biatomiche HCl, nelle quali un atomo di cloro e uno di idrogeno sono legati insieme attraverso un legame covalente semplice.

La coppia di elettroni condivisi dai due atomi costituisce il legame covalente fra di essi.

Usando la simbologia di Lewis la formazione della molecola HCl da un atomo di idrogeno ed uno di cloro può essere schematizzata così:

Molecola dell’acqua H₂O

La molecola d’acqua è formato da molecole triatomiche H₂O dove una atomo di ossigeno si lega a ciascun atomo di idrogeno condividendo con ciascuno dei due uno dei suoi due elettroni singoli di valenza realizzando con ciascuno di essi un legame covalente semplice.

Usando la simbologia di Lewis la formazione della molecola H₂O da due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno può essere schematizzata così:

Molecola dell’ammoniaca NH₃

La molecola di ammoniaca è formato da molecole NH₃ dove una atomo di azoto si lega con tre atomo di idrogeno condividendo con ciascuno di essi uno dei suoi tre elettroni singoli di valenza realizzando con ciascuno di essi un legame covalente semplice.

Usando la simbologia di Lewis la formazione della molecola NH₃ da tre atomi di idrogeno ed uno di azoto può essere schematizzata così: