Modelli E Legami Chimici: Il Legame Ionico

In questo post, cercheremo di capire che cosa sono i legami chimici e, in particolare, il legame ionico che si forma, in determinate condizioni, tra atomi, ricorrendo ad un applet di GeoGebra per la modellizzazione grafica.

Premetto che, in base alla mia esperienza personale, non è facile, e nemmeno opportuno, trattare il modello microscopico della materia in età molto giovane, a causa del suo alto grado di astrattezza.

In ogni caso, create le adeguate condizioni concettuali, il modello può essere introdotto, con le dovute cautele, a partire dalla seconda media, come illustro in questo lavoro sperimentale su temperatura e calore, svolto anni fa in una mia classe seconda.

Ma quale modello atomico introdurre a 12 anni? Non si può certamente pretendere di parlare di numeri quantici e di orbitali! 

Si può, però, affrontare con i ragazzi il problema dei modelli, facendo loro comprendere che, a causa della complessità del reale e della conseguente difficoltà di studiarlo in modo preciso ed accurato, gli scienziati utilizzano delle semplificazioni opportune, e a volte piuttosto drastiche, ma sempre tali da conservare le caratteristiche peculiari del fenomeno oggetto di indagine.

Tali semplificazioni sono appunto i modelli, i quali non sono altro quindi che delle costruzioni teoriche atte a semplificare la complessità di un fenomeno, per aiutare a comprenderlo, ma che nello stesso tempo lo approssimano. Scegliere un buon modello non è affatto facile, ma indubbiamente necessario per quanto prima indicato.


I modelli atomici non fanno eccezione. A tal proposito, si può presentare un excursus storico, iniziando dalla teoria di Dalton sul modello di atomo come entità indivisibile, passando per gli esperimenti con cui Rutherford riuscì a dimostrare che l'atomo possiede una struttura complessa, per arrivare alla moderna fisica atomica, in grado di identificare numerose particelle sub-atomiche.


Il modello che sceglieremo, e che funziona bene per la classificazione degli elementi chimici basata sul sistema periodico, è quella dei "gusci" elettronici, secondo cui gli elettroni negli atomi non possono assumere una posizione qualsiasi, ma devono invece muoversi all'interno di una serie di "gusci" concentrici, simili, per farsene un'idea, agli strati di una cipolla! Inoltre, ogni guscio elettronico può ospitare un numero massimo di elettroni:

- non più di 2 elettroni nel primo guscio;

- non più di 8 nel secondo guscio e altrettanti nel terzo guscio.

Il guscio elettronico più interno è quello che risente maggiormente dell'attrazione dovuta alla carica elettrica positiva del nucleo.

Se un elettrone può "scegliere" dove stare, pertanto, per prima cosa occuperà il guscio più interno: è quanto accade all'unico elettrone dell'idrogeno (H) e ai due elettroni dell'elio (He). Crescendo il numero atomico, gli elettroni vanno ad occupare il secondo guscio, che si completa quando si arriva al neon (Ne), che ha un numero atomico Z = 10 = 2 + 8.

Negli atomi dell'elemento successivo, il sodio (Na, numero atomico Z = 11), un elettrone va ad occupare il terzo guscio e così via.

Questo semplice modello a gusci della struttura atomica permette di dare una spiegazione alla periodicità del sistema di classificazione di Mendeleev, in cui tutti gli elementi chimici di ciascuno degli 8 gruppi hanno una caratteristica in comune: lo stesso numero di elettroni nel guscio elettronico più esterno.

Si formula pertanto una nuova ipotesi: le proprietà chimiche di un elemento sono determinate dal numero degli elettroni presenti nel guscio più esterno dei suoi atomi.

Questa ipotesi spiega perché funziona così bene la classificazione basata sul sistema periodico, come anticipato sopra.

Se però vogliamo comprendere perché un dato elemento reagisca, combinandosi con certi elementi, ma non con altri, è necessario aggiungere ancora un'ipotesi alla teoria che stiamo utilizzando. E' quanto cercherò di fare nel prosieguo del post e nei prossimi post dedicati ai legami chimici.

Gli atomi cercano sempre di completare il proprio guscio elettronico più esterno per raggiungere la stabilità.

Ciò vuol dire che, se in un atomo il guscio elettronico più esterno è incompleto, alla prima occasione tale atomo si combinerà con altri atomi, in modo tale da completare il suo guscio elettronico più esterno.

Questa è l'ipotesi che ci mancava per riuscire a comprendere il comportamento chimico degli elementi. Infatti, essa consente di comprendere la ragione per cui gli atomi dei diversi elementi si legano tra loro.

I legami chimici si formano quando gli atomi cedono, acquistano oppure mettono in comune i propri elettroni con altri atomi.

Consideriamo, adesso, un tipo di legame chimico: il legame ionico, per esemplificare, del cloruro di sodio (NaCl).

Il cloruro di sodio, comunemente noto con il nome di sale da cucina, è un composto formato da atomi di sodio (Na) e di cloro (Cl).

Il sodio ha numero atomico Z = 11. Poiché 11 = 2 + 8 + 1, l'atomo di sodio ha un elettrone solitario nel terzo guscio.

Il cloro invece ha numero atomico Z = 17. Poiché 17 = 2 + 8 + 7, nel terzo guscio dell'atomo di cloro manca un elettrone per completare l'ottetto, cioé l'insieme di 8 elettroni che possono esservi ospitati.

Un atomo di sodio, quando ne incontra uno di cloro, gli cederà il suo elettrone più esterno: entrambi si ritrovano in tal modo con  un ottetto completo.

I due atomi, però, non saranno più elettricamente neutri perché sono diventati ioni, cioé atomi dotati di carica elettrica:

- il cloro è diventato uno ione negativo, indicato con il simbolo Cl- (il segno "-" deve trovarsi più in alto, ma Blogger non mi consente di scriverlo per bene), perché ha un elettrone in più rispetto al suo stato normale, dato che non è più neutralizzato dai protoni del nucleo;

- il sodio, invece, è diventato uno ione positivo, perché, avendo perso l'elettrone del guscio più esterno, lascia scoperta una carica protonica.

Poiché i due ioni hanno carica elettrica opposta, essi si attraggono e si legano formando il cloruro di sodio o NaCl.

Questo tipo di legame chimico tra gli atomi è chiamato legame ionico.

L'applet che ho realizzato con GeoGebra illustra, seppur in modo semplificato, il legame chimico che si forma tra i due ioni. Spuntate in ordine, procedendo dall'alto verso il basso, le caselle di controllo per  osservare l'animazione.