Il Legame Covalente: Legami Multipli, Legame Dativo e Composti di Coordinazione

Proprietà del Legame Covalente: Lunghezza ed Energia

Il legame covalente può essere dimostrato sperimentalmente come un legame che varia in base alla sua molteplicità (legame singolo, doppio o triplo). Esiste una correlazione diretta tra il numero di legami, la loro forza e la loro lunghezza:

Legami Multipli: I legami doppi e tripli sono più corti e più forti di un legame singolo tra gli stessi atomi.
Energia di Legame: Rappresenta l'energia necessaria per spezzare il legame, espressa in $kJ/mol$ .
Relazione tra Legami (Tabella 4): * C-C (Singolo): Energia di legame = $348\,kJ/mol$ ; Lunghezza di legame = $1.54\,\text{Å}$ . * C=C (Doppio): Energia di legame = $614\,kJ/mol$ ; Lunghezza di legame = $1.34\,\text{Å}$ . * C≡C (Triplo): Energia di legame = $839\,kJ/mol$ ; Lunghezza di legame = $1.20\,\text{Å}$ .

La Formazione della Molecola di Biossido di Carbonio ( $CO_2$ )

La formazione della molecola di biossido di carbonio ( $CO_2$ ) illustra l'utilizzo dei legami doppi per raggiungere l'ottetto:

Valenza degli Atomi: L'atomo di carbonio appartiene al gruppo IV e ha valenza 4; necessita di 4 elettroni per completare l'ottetto. L'atomo di ossigeno ha bisogno di 2 elettroni.
Configurazione di Legame: L'atomo di carbonio si lega a due atomi di ossigeno. Ogni atomo di ossigeno condivide due dei suoi elettroni di valenza con il carbonio.
Struttura Risultante: Si formano due doppi legami (con un totale di 4 elettroni condivisi per ogni legame doppio). La struttura di Lewis può essere rappresentata come $O=C=O$ .

Il Legame Covalente Dativo

Il legame covalente dativo è un tipo particolare di legame in cui la coppia di elettroni comuni non è fornita da entrambi gli atomi, ma da uno solo.

Definizione: In questo legame, la coppia di elettroni di legame è fornita interamente da un solo atomo (donatore) a un altro atomo (accettore).
Condizioni per il Legame: 1. L'atomo donatore deve aver già raggiunto l'ottetto esterno e deve possedere ancora una o più coppie libere (non condivise) di elettroni. 2. L'atomo accettore deve aver bisogno di elettroni per completare il proprio ottetto.
Rappresentazione: Il legame dativo viene convenzionalmente rappresentato con una freccia ( $\rightarrow$ ) che punta dal donatore all'accettore, anziché con la classica lineetta del legame covalente standard. Una volta formato, non c'è differenza fisica tra le coppie di elettroni condivise, indipendentemente dalla loro origine.

Esempi di Legame Dativo: Gli Ossiacidi del Cloro

Il legame dativo spiega la capacità del cloro di formare una serie di acidi con un numero crescente di atomi di ossigeno:

Acido Ipocloroso ( $HClO$ ): Struttura base $:Cl-O-H$ . L'atomo di cloro raggiunge l'ottetto formando un legame covalente singolo con l'ossigeno. In questo stato, il cloro possiede ancora tre coppie di elettroni non condivise.
Formazione di acidi superiori: Il cloro può comportarsi da donatore di elettroni verso altri atomi di ossigeno (accettori): * Acido Cloroso ( $HClO_2$ ): Il cloro dona una coppia di elettroni a un secondo atomo di ossigeno. * Acido Clorico ( $HClO_3$ ): Il cloro dona coppie di elettroni a due ulteriori atomi di ossigeno. * Acido Perclorico ( $HClO_4$ ): Il cloro utilizza tutte e tre le sue coppie libere per legare tre atomi di ossigeno aggiuntivi tramite legami dativi.
Meccanismo dell'Accettore: Gli elettroni spaiati dell'atomo di ossigeno (accettore) si accoppiano per liberare un orbitale vuoto che possa ospitare la coppia proveniente dal donatore.

Formazione dello Ione Ammonio ( $NH_4^+$ )

Lo ione ammonio rappresenta un esempio classico di legame dativo che coinvolge una specie carica:

Reazione: Si forma quando l'ammoniaca ( $NH_3$ ) reagisce con lo ione idrogeno ( $H^+$ ). Lo ione $H^+$ è un atomo di idrogeno che ha perso il suo unico elettrone (un protone nudo).
Ruolo dell'Azoto: L'azoto nell'ammoniaca ha tre legami covalenti con l'idrogeno e dispone di una coppia di elettroni non condivisa. L'azoto funge da donatore verso lo ione $H^+$ (accettore).
Caratteristiche dello Ione: Sebbene il legame si formi come dativo, i quattro legami $N-H$ nello ione ammonio sono perfettamente identici. La carica positiva ( $1+$ ) non risiede su un singolo atomo, ma è distribuita sull'intero aggregato molecolare.

Composti di Coordinazione o Complessi

Il legame dativo è alla base della formazione dei composti di coordinazione.

Definizione: Si originano quando un metallo, o uno ione metallico, viene circondato da atomi donatori di elettroni appartenenti a molecole neutre o a ioni negativi.
Componenti: * Coordinante: Il metallo posto al centro del complesso. * Leganti: Le molecole o gli ioni che circondano il metallo e donano le coppie di elettroni.
Esempio dello Ione Complesso di Rame: * Lo ione complesso $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ è responsabile del colore azzurro delle soluzioni di sali di rame (come il solfato di rame, $CuSO_4 \cdot 5H_2O$ ). * In questo complesso, l'atomo di ossigeno di ciascuna delle sei molecole di acqua (leganti) si lega allo ione $Cu^{2+}$ (coordinante) utilizzando una coppia di elettroni non condivisa.

Domande e Riflessioni

Stabilità dell'Azoto Atmosferico: L'azoto ( $N_2$ ), che costituisce circa il $78\%$ in volume dell'atmosfera, è estremamente stabile e poco reattivo a causa del legame triplo che unisce i due atomi, il quale richiede un'elevata energia di legame per essere spezzato.
Esercizio sull'Acido Cianidrico ( $HCN$ ): Sapendo che $H$ si lega a $C$ , la struttura di Lewis prevede un legame singolo tra $H$ e $C$ ( $H-C$ ) e un legame triplo tra $C$ e $N$ ( $C\equiv N$ ) per soddisfare l'ottetto di entrambi gli atomi centrali.
Esercizio sull'Acido Solforoso ( $H_2SO_3$ ): * Nell'acido solforoso, lo zolfo è legato con legami singoli a due atomi di ossigeno che a loro volta sono legati a idrogeni ( $S-O-H$ ). * Il terzo atomo di ossigeno è legato allo zolfo tramite un legame dativo, poiché lo zolfo ha già raggiunto l'ottetto ma possiede ancora una coppia di elettroni libera. * Estensione: Lo zolfo può comportarsi da donatore verso un ulteriore atomo di ossigeno, portando alla formazione dell'acido solforico ( $H_2SO_4$ ).