Chimica per il liceo/I legami: differenze tra le versioni

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Per quanto il numero di possibili combinazioni fra gli atomi sia virtualmente infinito, non sempre è possibile che si instaurino legami fra essi: condizione essenziale è che l’energia potenziale dell’associazione atomica che si viene a formare sia minore di quella dei singoli atomi separati, come mostrato in figura 2.
 
{{Colore di sfondo|#feffaa|'''Il composto che si ottiene, in seguito all'instaurarsi di legami chimici, ha pertanto una maggior stabilità rispetto ai singoli atomi che lo costituiscono''}}, proprio perché il suo contenuto energetico è minore rispetto a quello degli atomi separati. Con il termine '''energia di legame''' si indica la quantità di energia che deve essere fornita per rompere un legame chimico. La distanza tra i nuclei dei due atomi coinvolti in un legame chimico è invece definita '''lunghezza di legame'''.
 
=== Gli elettroni di legame ===
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# Il '''legame dipolo-dipolo''' si instaura fra molecole polari che si attraggono reciprocamente: le molecole polari generano deboli campi elettrici che possono esercitare la propria attrazione nei confronti di altre molecole polari vicine; in questo modo, le molecole si avvicinano e dispongono i poli opposti l’uno di fronte all'altro, creando dei legami secondari fra loro (figura 21/b). La forza di questa attrazione dipende dal valore delle cariche parziali delle molecole e dalla distanza fra esse, pertanto i legami dipolo-dipolo risultano deboli e trascurabili allo stato aeriforme, ma incrementano la propria intensità al diminuire della temperatura e/o all'aumentare della pressione: in questo modo la coesione tra le molecole aumenta e possono avvenire i passaggi di stato prima a liquido e quindi a solido. Figura 8.20 [figura 8.20 - legame dipolo-dipolo]
#Il '''legame dipolo permanente-dipolo indotto''', noto anche come '''forza di Debye''', si instaura fra molecole polari e molecole apolari: la molecola polare è in grado di indurre in quella apolare una temporanea separazione di cariche, generando così un dipolo indotto; in seguito a ciò si genera un’interazione elettrostatica tra tali molecole, come mostrato in figura 21/c.
#Il '''legame dipolo istantaneo-dipolo indotto''', noto anche come '''forza di dispersione di London''', si instaura fra molecole apolari: una molecola apolare, a causa del continuo movimento degli elettroni, ha la possibilità di polarizzarsi, sebbene per brevissimi intervalli di tempo, diventando pertanto un dipolo istantaneo; a sua volta, un dipolo istantaneo può indurre una temporanea separazione di cariche nelle molecole apolari con cui viene a contatto, generando così un dipolo indotto; in questo modo si genera un’interazione elettrostatica tra tali olecolemolecole, come mostrato in figura. La probabilità che si generino dei dipoli istantanei è direttamente proporzionale al numero di elettroni e quindi alla massa delle molecole (aumentando il numero di protoni, aumenta infatti anche il numero di elettroni), questo spiega, ad esempio, perché mentre il fluoro (F<sub>2</sub>) e il cloro (Cl<sub>2</sub>), a temperatura ambiente, sono gas, il bromo (Br<sub>2</sub>) è liquido e lo iodio (I<sub>2</sub>) è solido.
I legami elettrostatici tra dipoli permanenti, istantanei e indotti (casi 3, 4 e 5) sono complessivamente noti come '''forze di van der Waals''', in onore del fisico olandese Johannes Diderik van der Waals, che formulò le leggi matematiche fondamentali per descriverne il comportamento.<gallery>
File:Na+H2O.svg|'''Figura 21/a.''' Legame ione-dipolo (dissoluzione di un sale in acqua).
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===Il legame a idrogeno===
Il '''legame a idrogeno''' (anche detto '''ponte a idrogeno''') è una particolare forma di legame che {{Colore di sfondo|#feffaa|si instaura tra molecole polari nelle quali ''un atomo d'idrogeno (H) si viene a trovare tra due atomi entrambi piccoli e molto elettronegativi, essendo legato covalentemente a uno di essi''}}. Gli

Tale elementilegame chesi possonoinstaura esserequando coinvoltil'idrogeno inè talelegato legame,ad oltreuno ovviamentedei all'idrogeno,i sonotre treelementi più elettronegativi: l'azoto (N), l'ossigeno (O) e il fluoro (F)''.'' Poiché l'atomo di idrogeno ha le dimensioni più piccole e possiede un solo elettrone, quando forma un legame covalente con un atomo ad elevata elettronegatività, si genera un dipolo, in cui l'idrogeno acquista una parziale carica positiva (δ<sup>+</sup>), generando un intenso campo elettrico, mentre sull'altro atomo si genera una parziale carica negativa (δ<sup>-</sup>). In queste condizioni si possono instaurare dei legami intermolecolari (o intramolecolari, come nel caso di alcune grandi biomolecole) tra poli opposti, in cui l'idrogeno fa da "ponte".

Per distinguerlo da un legame covalente, il legame a idrogeno viene normalmente rappresentato mediante una linea tratteggiata (---) o dei puntini (···) che uniscono l'idrogeno di una molecola all'atomo fortemente elettronegativo dell'altra molecola.
 
 
 
Il legame a idrogeno influenza in modo significativo le proprietà fisiche (punto di fusione/ebollizione, solubilità, viscosità, ecc.) delle sostanze in cui è presente. Il valore dell'energia di legame determinato sperimentalmente per questo tipo legame è nettamente superiore a quello dei legami dipolo-dipolo. Osservando il grafico in figura 22 è possibile constatare che l'acido fluoridrico (HF) ha una temperatura di ebollizione notevolmente superiore a quella degli altri idracidi degli elementi del 17° gruppo (ossia i composti binari formati dall'idrogeno e da un alogeno): acido cloridrico (HCl), acido bromidrico (HBr) e acido iodidrico (HI). Questo "anomalo" comportamento dell'acido fluoridrico è proprio dovuto alla capacità di questo composto di formare legami a idrogeno, che sono molto più forti dei "semplici" legami dipolo-dipolo formati gli altri idracidi. [[File:Temperature di ebollizione e legame a idrogeno.svg|miniatura|'''Figura 22.''' Confronto fra le temperature di ebollizione degli idracidi del 17° gruppo (HF, HCl, HBr, HI).|centro|609x609px]]Un analogo comportamento si può osservare anche per i composti binari che l'idrogeno forma con gli elementi del 16° (acqua H<sub>2</sub>O; acido solfidrico H<sub>2</sub>S; acido selenidrico H<sub>2</sub>Se e acido telluridrico H<sub>2</sub>Te) e del 15° gruppo (ammoniaca, NH<sub>3</sub>; fosfina, PH<sub>3</sub>; arsina, AsH<sub>3</sub> e stibina, SbH<sub>3</sub>): l'acqua e l'ammoniaca, che possono formare legami a idrogeno, hanno punti di ebollizione molto maggiori degli analoghi composti dello stesso gruppo; non si osserva invece lo stesso andamento nel caso dei composti binari che l'idrogeno forma con gli elementi del 14° gruppo (metano, CH<sub>4</sub>; silano, SiH<sub>4</sub>; germano, GeH<sub>4</sub> e stannano, SnH<sub>4</sub>), nessuno dei quali può formare legami a idrogeno: le loro temperature di ebollizione crescono via via, al aumentare della massa molecolare. Nel grafico in figura 23 è possibile constatare quanto descritto.
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Le differenze nelle temperature di ebollizione precedentemente descritte dipendono dalla presenza dei legami a idrogeno che per essere spezzati richiedono un'elevata quantità di energia: questo legame è infatti la più intensa forza attrattiva intermolecolare, dopo il legame ione-dipolo. Il legame a idrogeno giustifica inoltre l'anomalo comportamento dell'acqua solida (ghiaccio), la cui densità è inferiore a quella dell'acqua liquida, come meglio descritto nel capitolo [[Chimica per il liceo/L'acqua|Chimica per il liceo/L'acqua.]]
 
L'importanza del legame a idrogeno non si limita alla Chimicachimica pure,pura: tale legame è infatti molto diffuso anche nelle molecole biologiche, dove spesso si instaura fra porzioni distinte di una stessa macromolecola:. neNe è un esempio la molecola del DNA che è costituita da due filamenti avvolti ad elica tenuti assieme da legami a idrogeno fra basi azotate complementari (figura 24); altrettanto importante è il ruolo strutturale del legame a idrogeno nelle proteine, in particolare nella stabilizzazione delle strutture secondarie (α elica e β-foglietti).
[[File:DNA orbit animated.gif|centro|miniatura|477x477px|'''Figura 24.''' Struttura 3D animata della doppia elica del DNA: i due filamenti avvolti l'uno attorno all'altro sono tenuti assieme da legami a idrogeno tra le basi azotate rivolte verso l'interno.]]