Percentuale di carattere ionico. Esercizi svolti

In quasi tutte le molecole in cui gli atomi sono legati con legame covalente esiste sempre una certa percentuale di carattere ionico come propose Pauling.
Vi sono due tipi di legame chimico: legame ionico e legame covalente. Il legame covalente è dovuto alla condivisione di elettroni di legame tra due atomi mentre il legame, detto ionico, è dovuto all’attrazione elettrostatica tra particelle cariche di segno opposto.

Tale legame si stabilisce quindi fra almeno due atomi di elementi mediante trasferimento di elettroni, nel senso che un atomo di un elemento cede uno o più elettroni di valenza ad un altro atomo di una elemento diverso che li acquista. L’atomo che perde elettroni diventa ione positivo mentre quello che li acquista diventa ione negativo assumendo entrambi la configurazione esterna di un gas nobile

Legame covalente

Gli atomi possono legarsi tra loro compartecipando mutuamente gli elettroni di valenza, invece di trasferirli dall’uno all’altro come nel caso del legame ionico. Il legame chimico che in questo modo si stabilisce tra gli atomi, è detto legame covalente e nelle ordinarie condizioni ambientali porta alla formazione o di singole molecole indipendenti allo stato gassoso, le quali sono formate dall’unione di un numero discreto di atomi uguali o diversi (ad esempio H₂, O₂, H₂O, NH₃) oppure porta alla formazione di solidi cristallini denominati solidi covalenti come il diamante e la grafite.

In una molecola di H₂ i due atomi di idrogeno sono legati tra loro per condivisione dell’elettrone presente nell’orbitale atomico 1s che possiede ciascun atomo con formazione di un orbitale molecolare σ.

Nella molecola di HCl si ha, analogamente alla molecola di H₂ una condivisione di elettroni, tuttavia, a causa della maggiore elettronegatività del cloro rispetto all’idrogeno il cloro avrà una parziale carica negativa, mentre l’idrogeno avrà una parziale carica positiva e il legame è  detto polare avendo una distribuzione asimmetrica della carica elettrica. Molecole che presentano una distribuzione asimmetrica della carica elettrica hanno un momento dipolare permanente. Una misura quantitativa della polarità del legame è quindi il momento dipolare μ dato dal prodotto tra la carica Q e la distanza r tra le cariche. Il valore del momento dipolare, tuttavia, non consente di calcolare direttamente la polarità del legame in quanto tale valore non rende conto della distribuzione interna della carica.

Energia di legame

Pauling determinò la componente covalente, ad esempio di HCl dalle energie di legame associate con le specie molecolari delle molecole H₂ e Cl₂.

Note le energie di legame delle molecole H₂ e Cl₂ si poteva determinare l’energia di legame di HCl dalla equazione:

BE_HCl = √ BE_H2 ∙ BE_Cl2

Denotando con il simbolo BE l’energia di legame (Bonding Energy). Sapendo che:

 H₂:   H-H  Energia di legame = BE_H2 = 430 kJ/mol

Cl₂:  Cl-Cl  Energia di legame = BE_Cl2 = 238 kJ/mol

 Si ha: BE_HCl = √ 430 ∙ 238 = 320 kJ/mol

Il contributo di carattere ionico Δ al legame polare è dato dalla differenza tra l’energia di legame determinata sperimentalmente che, nel caso di HCl vale 426 kJ/mol e quella calcolata quindi si ha

Δ = 426 – 320 = 106 kJ/mol

Pauling elaborò una scala delle elettronegatività relative per gli elementi fissando arbitrariamente l’elettronegatività dell’idrogeno uguale a 2.2 e propose una relazione empirica che relaziona la percentuale di carattere ionico alla differenza di elettronegatività

% di carattere ionico

 % di carattere ionico = ( 1 – e^{– 0.25(xA – xB)2})∙ 100  (1)

 essendo x_A e x_B rispettivamente le elettronegatività dell’elemento A e dell’elemento B.

 Esercizi sulla percentuale di carattere ionico

1)      Calcolare la percentuale di carattere ionico in TiO₂

Dai valori delle elettronegatività dei due elementi:

x_Ti = 1.5 e x_O = 3.5 applicando l’equazione (1) si ha:

% di carattere ionico = ( 1 – e^{– 0.25(3.5 – 1.5)2})∙ 100 = (1 – e^-0.25(2)2) x 100 = (1 – e^-1)  ∙ 100 = 63.2%

2)      Calcolare la percentuale di carattere ionico in ZnTe

Dai valori delle elettronegatività dei due elementi:

x_Zn = 1.6 e x_Te = 2.1 applicando l’equazione (1) si ha:

% di carattere ionico = ( 1 – e^{– 0.25(2.1 – 1.6)2})∙ 100 = 6.1 %