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.

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