Legami covalenti

Il triplo legame in N₂ è lungo 110 pm; il legame semplice nell'etano 154 pm. Più coppie condivise avvicinano gli atomi.

Quando due atomi di non metallo si incontrano, nessuno dei due è disposto a cedere del tutto i suoi elettroni. Entrambi attirano forte, quindi invece di un trasferimento c'è una condivisione. Ogni atomo mette un elettrone in una coppia che sta tra i due nuclei, ed entrambi i nuclei sono attratti da quella coppia. La coppia condivisa è il legame covalente. È così che si tiene insieme quasi ogni sostanza di un essere vivente, dall'acqua al DNA.

Contare le coppie condivise

Prendi il metano, CH₄. Il carbonio ha 4 elettroni esterni e gliene servono altri 4. Ogni idrogeno ne ha 1 e gliene serve ancora 1. Il carbonio condivide una coppia con ciascuno dei quattro idrogeni. Ora il carbonio conta 8 elettroni intorno a sé e ogni idrogeno ne conta 2. Tutti hanno un livello completo, e la molecola ha quattro legami semplici. Il numero di legami che un atomo forma di solito si chiama valenza: idrogeno 1, ossigeno 2, azoto 3, carbonio 4. Con questi quattro numeri puoi costruire a mano la maggior parte delle piccole molecole.

Per qualsiasi piccola molecola puoi verificare una struttura contando gli elettroni. Somma gli elettroni esterni di tutti gli atomi: l'acqua ne ha 1 + 1 + 6 = 8. Ogni legame ne usa 2, e quelli che avanzano stanno nei doppietti liberi. L'acqua ha due legami O-H, che usano 4 elettroni, e restano 4 elettroni come due doppietti liberi sull'ossigeno. L'ossigeno conta allora 8 elettroni intorno a sé e ogni idrogeno 2. L'ammoniaca funziona allo stesso modo: 5 + 3 = 8 elettroni, tre legami N-H e un doppietto libero. Sono proprio questi doppietti liberi a decidere la forma delle molecole nell'unità successiva.

Legami doppi e tripli

A volte una coppia condivisa non basta. Nella molecola di ossigeno, O₂, ogni atomo ha 6 elettroni esterni e gliene servono altri 2, quindi i due atomi condividono due coppie: un legame doppio, O=O. Nell'azoto, N₂, a ogni atomo ne servono 3, e condividono tre coppie: un legame triplo, N≡N. Il modello disegna ogni coppia condivisa come un bastoncino separato, così puoi contarle. Il carbonio può fare tutti e tre. L'etano, C₂H₆, ha un legame semplice C-C, l'etene, C₂H₄, un legame doppio C=C e l'etino (acetilene), C₂H₂, un legame triplo C≡C.

Più coppie condivise tengono gli atomi più vicini e più saldi. Le distanze carbonio-carbonio misurate nel database del NIST lo mostrano bene: 153.6 pm nell'etano, 133.9 pm nell'etene e 120.3 pm nell'etino. Il triplo legame dell'azoto, 109.8 pm, è così forte che l'azoto gassoso reagisce a malapena, anche se costituisce gran parte dell'aria che respiriamo. Le piante non possono usarlo direttamente; contano sui batteri e sui fulmini per romperlo.

Molecole, non reticoli

I legami covalenti uniscono un numero fisso di atomi in una molecola con una forma precisa. I legami dentro una molecola d'acqua sono forti, ma le forze tra una molecola d'acqua e l'altra sono molto più deboli. Ecco perché molte sostanze covalenti sono gas o liquidi a temperatura ambiente e fondono o bollono a basse temperature: basta separare le molecole, non romperle. Il metano bolle a circa −161.5 °C. Alcune sostanze covalenti, come il diamante e il quarzo, sono reti gigantesche di legami senza molecole separate, e sono tra i materiali più duri che si conoscano.