Legame covalente e strutture di Lewis

Rispetto ai legami ionici, che derivano dal trasferimento di elettroni tra atomi metallici e non metallici, i legami covalenti derivano dall’attrazione reciproca degli atomi per una coppia “condivisa” di elettroni.

I legami covalenti si formano tra due atomi quando entrambi hanno tendenze simili ad attrarre elettroni a se stessi (cioè, quando entrambi gli atomi hanno energie di ionizzazione identiche o abbastanza simili e affinità di elettroni).

Proprietà fisiche dei composti covalenti

I composti che contengono legami covalenti presentano proprietà fisiche diverse rispetto ai composti ionici. Poiché l’attrazione tra molecole, che sono elettricamente neutre, è più debole di quella tra ioni caricati elettricamente, i composti covalenti hanno generalmente punti di fusione e di ebollizione molto più bassi rispetto ai composti ionici. Infatti, molti composti covalenti sono liquidi o gas a temperatura ambiente e, nei loro stati solidi, sono tipicamente molto più morbidi dei solidi ionici. Inoltre, mentre i composti ionici sono buoni conduttori di elettricità quando vengono sciolti in acqua, la maggior parte dei composti covalenti sono insolubili in acqua; poiché sono elettricamente neutri, sono poveri conduttori di elettricità in qualsiasi stato.

Formazione di legami covalenti

Gli atomi non metallici formano spesso legami covalenti con altri atomi non metallici. Ad esempio, la molecola di idrogeno, H₂, contiene un legame covalente tra i suoi due atomi di idrogeno. Due atomi di idrogeno separati con particolare energia potenziale si avvicinano l’uno all’altro, i loro orbitali di valenza (1s) inizianoa sovrapporsi. I singoli elettroni su ogni atomo di idrogeno interagiscono quindi con entrambi i nuclei atomici, occupando lo spazio intorno a entrambi gli atomi. La forte attrazione di ogni elettrone condiviso per entrambi i nuclei stabilizza il sistema, e l’energia potenziale diminuisce man mano che la distanza di legame diminuisce. Se gli atomi continuano ad avvicinarsi l’uno all’altro, le cariche positive nei due nuclei iniziano a respingersi a vicenda, e l’energia potenziale aumenta. La lunghezza del legame è determinata dalla distanza alla quale si ottiene l’energia potenziale più bassa.

È essenziale ricordare che l’energia deve essere aggiunta per rompere i legami chimici (un processo endotermico), mentre la formazione di legami chimici rilascia energia (un processo esotermico). Nel caso di H₂, il legame covalente è molto forte; una grande quantità di energia, 436 kJ, deve essere aggiunta per rompere i legami in una talpa di molecole di idrogeno e far separare gli atomi:

Al contrario, la stessa quantità di energia viene rilasciata quando una talpa di molecole H₂ si forma da due talpe di atomi H:

Strutture di Lewis

I simboli di Lewis possono essere usati per indicare la formazione di legami covalenti, che sono mostrati nelle strutture di Lewis, disegni che descrivono il legame in molecole e ioni poliatomici. Ad esempio, quando due atomi di cloro formano una molecola di cloro, condividono una coppia di elettroni:

La struttura di Lewis indica che ogni atomo di Cl ha tre coppie di elettroni che non sono usati nel legame (chiamate coppie solitarie) e una coppia condivisa di elettroni (scritti tra gli atomi). Un trattino (o linea) è talvolta usato per indicare una coppia condivisa di elettroni: Cl-Cl.

• Una singola coppia condivisa di elettroni è chiamata un singolo legame. Ogni atomo di Cl interagisce con otto elettroni di valenza: i sei nelle coppie solitarie e i due nel singolo legame.
• Tuttavia, una coppia di atomi potrebbe aver bisogno di condividere più di una coppia di elettroni per ottenere l’ottetto richiesto. Un doppio legame si forma quando due coppie di elettroni sono condivise tra una coppia di atomi, come tra gli atomi di carbonio e ossigeno in CH₂O (formaldeide) e tra i due atomi di carbonio in C₂H₄ (etilene).
  
• Un triplo legame si forma quando tre coppie di elettroni sono condivise da una coppia di atomi, come nel monossido di carbonio (CO) e nello ione cianuro (CN–).
  

La tavola periodica può essere usata per prevedere il numero di elettroni di valenza in un atomo e il numero di legami che si formeranno per raggiungere un ottetto. Elementi del Gruppo 18 come Argon ed Elio hanno riempito la configurazione elettronica e quindi raramente partecipano al legame chimico. Tuttavia, gli atomi del gruppo 17, come il bromo o lo iodio, hanno bisogno di un solo elettrone per raggiungere l’ottetto. Quindi gli atomi appartenenti al gruppo 17 possono formare un singolo legame covalente. Gli atomi del gruppo 16 hanno bisogno di 2 elettroni per raggiungere un ottetto; quindi possono formare due legami covalenti. Allo stesso modo, il carbonio che appartiene al gruppo 14, ha bisogno di altri 4 elettroni per raggiungere un ottetto; quindi il carbonio può formare quattro legami covalenti.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 7.2: Covalent Bonds and Openstax, Chemistry 2e, Section 7.3: Lewis Symbols and Structures.