La struttura molecolare e i legami ionici.

Mauro Goretti - Programmatore - 

La struttura molecolare e i legami ionici.

Un atomo con gli orbitali del livello più esterno incompleti

può aumentare la sua stabilità o cedendo elettroni (svuotando

completamente il livello),o acquistandone (sino a saturare

il livello),oppure ancora mettendone in comune con un altro

atomo (raggiungendo lo stesso scopo di riempire il livello).

Attraverso la cessione,l'acquisto e la condivisione di

elettroni si stabiliscono quelle particolari forze,dette

legami chimici ,che tengono insieme gli atomi nelle

molecole. Ma cosa sono dunque,i legami ionici ?

Il livello di energia preferito di alcuni atomi,come

il sodio,contiene un solo elettrone. Altri atomi,come

il cloro,possiedono un livello esterno cui manca un

solo elettrone per risultare completo. Il sodio può

dunque raggiungere la stabilità perdendo l'elettrone

del livello più esterno e lasciandolo vuoto,mentre il

cloro completa il suo livello esterno inserendovi

un elettrone. E' esattamente ciò che succede quando

si forma il cloruro di sodio:il sodio perde un elettrone,

caricandosi positivamente,e il cloro se ne appropria ,

caricandosi negativamente.

Gli atomi che hanno perso o guadagnato elettroni,

e sono perciò elettronicamente carichi,prendono il

nome di ioni . Poiché particelle di carica opposta

si attraggono,gli ioni sodio e gli ioni cloruro tendono

a restare vicini,formando cristalli di sale. (Nel

linguaggio chimico la parola “sale” si riferisce non

soltanto al cloruro di sodio,ma a qualsiasi sostanza

formata da ioni di carica positiva o negativa).

Quest'attrazione elettrostatica tra ioni di carica

opposta,capace di tenerli vincolati in cristalli di

sale,si definisce legame ionico .

Ma invece,che cosa sono i legami covalenti ?

Un atomo con un livello elettronico non “completo”

può accrescere la sua stabilità condividendo

elettroni con un altro atomo in un legame

covalente . Per chiarire il significato di questa

affermazione possiamo fare ancora riferimento

all'atomo di idrogeno,con il suo solitario elettrone

che occupa un orbitale capace di accoglierne due.

Un atomo di idrogeno può diventare ragionevolmente

stabile se mette in comune il suo elettrone con un

altro atomo di idrogeno,formando una molecola

di gas idrogeno (H2). Poiché entrambi gli atomi

isolati sono identici,nessuno dei due può

acquistare l'elettrone dell'altro. I due elettroni,

uno per ciascun atomo,si trovano parte del

tempo nell'orbitale dell'uno e parte nell'orbitale

dell'altro atomo di idrogeno,che si comportano

come se ciascuno disponesse di elettroni.

Il legame in una molecola di idrogeno non è

molto forte. Ove questa entri in contatto con

una molecola di ossigeno,si formeranno

legami covalenti più forti e quindi più stabili

attraverso la condivisione di elettroni tra atomi

di ossigeno e di idrogeno.

Come far capire meglio questo esempio,i

legami covalenti non sono tutti uguali. Alcuni

di essi,per esempio quelli che si stabiliscono

nell'acqua (H2O) e nel biossido di carbonio

(CO2),sono estremamente forti. Una molecola

con legami stabili tra i suoi atomi può essere

considerata “a bassa energia”. Altri legami,

come quelli presenti nel gas idrogeno,nel gas

ossigeno e nella benzina,sono meno stabili e

si spezzano con maggiore facilità. Le molecole

tenute insieme da tali legami instabili sono “ad

alta energia”. Una reazione chimica in cui si

rompono legami meno stabili e si formano

legami più stabili (per esempio,la combustione

della benzina con ossigeno può formare biossido

di carbonio e acqua) è accompagnata dalla

liberazione di energia. Le molecole biologiche

sono in gran parte formate da atomi uniti

tramite legami covalenti . Idrogeno,carbonio,

ossigeno,fosforo e zolfo sono gli atomi più

diffusi nelle molecole biologiche. Con

l'eccezione dell'idrogeno,a ognuno di questi

atomi mancano almeno due elettroni per

riempire il livello elettronico più esterno:

questi atomi possono quindi associarsi con

due o più altri atomi. L'idrogeno può unirsi

con un legame covalente a un altro atomo,

l'ossigeno e lo zolfo possono unirsi con

due altri atomi,l'azoto con tre,il carbonio e

il fosforo con un massimo di quattro.

Questa varietà di combinazioni giustifica

la diversificazione e la complessità pressoché

infinite delle molecole biologiche.

A volte,due atomi condividono due coppie

di elettroni,formando un doppio legame

covalente (ciascun atomo contribuisce con

due elettroni). Nel caso vengono messe in

compartecipazione tre coppie di elettroni,

si forma un triplo legame covalente .

La possibilità di formazione di legami doppi

e tripli estende ulteriormente la gamma di forme

e funzioni delle molecole biologiche.

I LEGAMI COVALENTI POLARI.

Nel gas idrogeno,gli elettroni condivisi trascorrono

intervalli di tempo uguali in prossimità di ciascuno

dei due nuclei di idrogeno. La molecola sarà

perciò elettricamente neutra nel suo insieme

e a livello dei singoli atomi di idrogeno.

Questo legame di perfetta simmetria viene

definito puro od omopolare . Quando

invece un nucleo esercita sugli elettroni

un'attrazione maggiore dell'altro si crea

un legame covalente polare . La molecola

nel suo insieme è ancora neutra,ma al

suo interno presenta degli addensamenti

di cariche elettriche di segno opposto:

sull'atomo che attrae con maggior forza

gli elettroni si determina un piccolo eccesso

(una frazione) di carica negativa (il polo

negativo della molecola),mentre sull'altro

si determina un piccolo eccesso equivalente

di carica positiva (il polo positivo).

Nell'acqua,per esempio,l'ossigeno trattiene

a sé gli elettroni con più forza dell'idrogeno,

per cui acquista una frazione di carica negativa

mentre i due atomi di idrogeno acquistano

una frazione di carica positiva. Molecole

di questo tipo sono dette dipolari .

I LEGAMI IDROGENO.

Un bicchiere d'acqua contiene innumerevoli

molecole d'acqua,ciascuna con una frazione

di carica negativa localizzata sull'atomo di

ossigeno e una frazione di carica positiva

su ciascuno dei due atomi di idrogeno.

Quando due molecole d'acqua si avvicinano,

tra le polarità di segno opposto sulle due

molecole si stabiliscono forze di attrazione

che prendono il nome di legami idrogeno .

Grazie a questi legami,l'acqua allo stato

liquido conserva un certo grado di

organizzazione al quale si possono

attribuire alcune caratteristiche esclusive

che la rendono essenziale alla vita sulla

Terra. Il legame idrogeno interessa anche

altre molecole. In particolare,nelle molecole

biologiche,gli atomi di azoto e di ossigeno,

avendo la proprietà di attrarre elettroni con

più forza degli atomi di idrogeno,tendono

ad acquistare una polarità negativa.

I legami idrogeno intervengono,fondamentalmente,

nel modellamento delle strutture tridimensionali

di proteine e acidi nucleici.