Contenuto
- Struttura dell'atomo
- Nozioni di base sul legame chimico
- Legami chimici ed elettronegatività
- Valori di elettronegatività e tavola periodica
- Ulteriore lavoro: atomi di superficie
L'elettronegatività è un concetto di chimica molecolare che descrive la capacità di atomi di attrarre elettroni verso se stessa. Maggiore è il valore numerico di una data elettronegatività degli atomi, più potente attira elettroni carichi negativamente verso il suo nucleo di protoni caricato positivamente e (tranne per l'idrogeno) neutroni.
Poiché gli atomi non esistono in isolamento e formano invece composti molecolari combinandosi con altri atomi, il concetto di elettronegatività è importante perché determina la natura dei legami tra gli atomi. Gli atomi si uniscono ad altri atomi attraverso un processo di condivisione di elettroni, ma questo può davvero essere visto più come un gioco non risolvibile di tiro alla fune: gli atomi rimangono uniti perché, mentre nessuno dei due atomi "vince", la loro essenziale reciproca attrazione mantiene i loro elettroni condivisi zoomando intorno a un punto abbastanza ben definito tra di loro.
Struttura dell'atomo
Gli atomi sono costituiti da protoni e neutroni, che formano il centro o il nucleo degli atomi, ed elettroni, che "orbitano" il nucleo piuttosto come pianeti o comete molto piccoli che si muovono a velocità folle attorno a un sole minuscolo. Un protone porta una carica positiva di 1,6 x 10-19 coulomb o C, mentre un elettrone trasporta una carica negativa della stessa grandezza. Gli atomi di solito hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni, rendendoli elettricamente neutri. Gli atomi normalmente hanno circa lo stesso numero di protoni e neutroni.
Un particolare tipo o varietà di atomo, chiamato elemento, è definito dal numero di protoni che ha, chiamato il numero atomico di quell'elemento.L'idrogeno, con un numero atomico di 1, ha un protone; l'uranio, che ha 92 protoni, è corrispondentemente il numero 92 nella tavola periodica degli elementi (vedere le risorse per un esempio di una tavola periodica interattiva).
Quando un atomo subisce un cambiamento nel suo numero di protoni, non è più lo stesso elemento. Quando un atomo guadagna o perde neutroni, d'altra parte, rimane lo stesso elemento ma è un isotopo della forma originale e chimicamente più stabile. Quando un atomo guadagna o perde elettroni ma altrimenti rimane lo stesso, viene chiamato un ione.
Gli elettroni, essendo ai margini fisici di queste disposizioni microscopiche, sono i componenti degli atomi che partecipano al legame con altri atomi.
Nozioni di base sul legame chimico
Il fatto che i nuclei degli atomi siano caricati positivamente mentre gli elettroni che si aggirano intorno agli atomi, le frange fisiche sono caricati negativamente, determina il modo in cui i singoli atomi interagiscono tra loro. Quando due atomi sono molto vicini tra loro, si respingono a prescindere dagli elementi che rappresentano, perché i rispettivi elettroni si "incontrano" per primi e le cariche negative si spingono contro altre cariche negative. I loro rispettivi nuclei, pur non essendo vicini quanto i loro elettroni, si respingono a vicenda. Quando gli atomi si trovano a una distanza sufficiente, tuttavia, tendono ad attirarsi a vicenda. (Gli ioni, come vedrete presto, fanno eccezione; due ioni caricati positivamente si respingono sempre e idem per coppie ioniche caricate negativamente.) Ciò implica che a una certa distanza di equilibrio, le forze attrattive e repellenti si bilanciano e gli atomi rimarrà a questa distanza a meno che non sia disturbato da altre forze.
L'energia potenziale in una coppia atomo-atomo è definita negativa se gli atomi sono attratti l'uno dall'altro e positiva se gli atomi sono liberi di allontanarsi l'uno dall'altro. Alla distanza di equilibrio, l'energia potenziale tra l'atomo è al suo valore più basso (cioè il più negativo). Questo si chiama energia di legame dell'atomo in questione.
Legami chimici ed elettronegatività
Una varietà di tipi di legami atomici pepano il panorama della chimica molecolare. I più importanti ai fini attuali sono i legami ionici e i legami covalenti.
Fare riferimento alla discussione precedente sugli atomi che tendono a respingersi da vicino principalmente a causa dell'interazione tra i loro elettroni. È stato anche notato che gli ioni con carica simile si respingono a vicenda, qualunque cosa accada. Se una coppia di ioni ha cariche opposte, ovvero se un atomo ha perso un elettrone per assumere la carica di +1 mentre un altro ha guadagnato un elettrone per assumere la carica di -1, allora i due atomi sono fortemente attratti da ciascuno altro. La carica netta su ciascun atomo annulla qualsiasi effetto repellente che i loro elettroni potrebbero avere e gli atomi tendono a legarsi. Poiché questi legami sono tra ioni, sono chiamati legami ionici. Il sale da tavola, costituito da cloruro di sodio (NaCl) e derivante da un legame atomo di sodio caricato positivamente a un atomo di cloro caricato negativamente per creare una molecola elettricamente neutra, esemplifica questo tipo di legame.
I legami covalenti derivano dagli stessi principi, ma questi legami non sono così forti a causa della presenza di forze concorrenti leggermente più equilibrate. Ad esempio, l'acqua (H2O) ha due legami covalenti idrogeno-ossigeno. La ragione per cui questi legami si formano è principalmente perché le orbite degli elettroni esterni degli atomi "vogliono" riempirsi di un certo numero di elettroni. Quel numero varia tra gli elementi e la condivisione di elettroni con altri atomi è un modo per raggiungere questo obiettivo anche quando significa superare modesti effetti repellenti. Le molecole che includono legami covalenti possono essere polari, il che significa che anche se la loro carica netta è zero, porzioni della molecola trasportano una carica positiva che è bilanciata da cariche negative altrove.
Valori di elettronegatività e tavola periodica
La scala Pauling viene utilizzata per determinare quanto sia elettronegativo un dato elemento. (Questa scala prende il nome dallo scienziato vincitore del premio Nobel Linus Pauling.) Maggiore è il valore, più un atomo è desideroso di attrarre elettroni verso se stesso in scenari che si prestano alla possibilità di un legame covalente.
L'elemento più alto in questa scala è il fluoro, a cui è assegnato un valore di 4.0. La classifica più bassa sono gli elementi relativamente oscuri di cesio e francio, che si registrano a 0,7. I legami "irregolari" o polari e covalenti si verificano tra elementi con grandi differenze; in questi casi, gli elettroni condivisi si trovano più vicini a un atomo che all'altro. Se due atomi di un elemento si legano l'un l'altro, come con una O2 molecola, gli atomi sono ovviamente uguali in elettronegatività e gli elettroni si trovano ugualmente lontano da ciascun nucleo. Questo è un legame non polare.
La posizione di un elemento nella tavola periodica offre informazioni generali sulla sua elettronegatività. Il valore dell'elettronegatività degli elementi aumenta da sinistra a destra e dal basso verso l'alto. La posizione dei fluoro vicino in alto a destra ne garantisce il valore elevato.
Ulteriore lavoro: atomi di superficie
Come per la fisica atomica in generale, gran parte di ciò che è noto sul comportamento degli elettroni e del legame è, sebbene sperimentalmente stabilito, in gran parte teorico a livello di singole particelle subatomiche. Esperimenti per verificare esattamente cosa stanno facendo i singoli elettroni sono un problema tecnico, così come isolare i singoli atomi che contengono quegli elettroni. Negli esperimenti per testare l'elettronegatività, i valori sono stati tradizionalmente derivati, per necessità, dalla media dei valori di molti singoli atomi.
Nel 2017, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare una tecnica chiamata microscopia elettronica a forza per esaminare singoli atomi sulla superficie del silicio e misurare i loro valori di elettronegatività. Lo hanno fatto valutando il comportamento del legame del silicio con l'ossigeno quando i due elementi sono stati posizionati a distanze diverse. Man mano che la tecnologia continua a migliorare in fisica, le conoscenze umane sull'elettronegatività prospereranno ulteriormente.