Chimica e Fisica, un LEGAME indissolubile!!!

Prima di iniziare a mangiare la ciccia di questo articoletto è utile fare un aperitivo di “basi” di chimica.

• Tutte le molecole sono composte da unità fondamentali chiamati atomi; 
• Tutti gli atomi che formano una molecola, sono legati tra di loro con particolari “fili” chiamati legami; 
•  Questi “fili” possono hanno lunghezze diverse misurate in angstrom (10^-10 metri) 
• La lunghezza dei legami intermolecolari tra un atomo e l’altro è quasi sempre costante (un carbonio si lega ad un atomo di idrogeno sempre con un legame lungo minimo 1,06 massimo 1,12 Å; mentre con l’atomo di alluminio si lega sempre con un legame lungo 2,24 Å ecc.. );

Avendo ben chiari questi aspetti, (in caso contrario potete rivederlo meglio qui, qui, e qui...) Iniziamo a mettere sotto ai denti qualcosa di “solido”...

Grazie ed un grandissimo fisico, Louis de Broglie, si arrivò (dopo una innumerevole serie di passaggi scientifici) a dire che gli atomi erano tutt’altro che fermi, anzi, vibravano alla grande! Ovviamente, sempre nell’intorno della loro posizione di equilibrio e in maniera impercettibile. 

Anche gli atomi di una molecola vibrano, di conseguenza anche il legame di una molecola che lega questi atomi, sebbene “frenandoli” un po’ deve assecondare questa loro vibrazione. Il legame come ce lo si era immaginato fino a quel momento, quindi, non poteva soddisfare questa condizione. Fu così che i fisici consigliarono ai chimici una nuova  “visione”:

- e se anziché vederlo come un bastoncino rigido, lo vedessimo come una molla?-

 

Si, avete letto bene, una molla! Perché no? Una molla che mantiene uniti i due atomi, non facendo venir meno il concetto di “legame”, ma che è anche in grado di dare quella libertà che basta agli atomi stessi di vibrare.

? Ma tutto questo cosa c'entra con i legami, con la chimica e con la fisica?

Calma calma, ora ci arriviamo.

La visione del legame come una molla, comporta il fatto che questo legame possa allungarsi e accorciarsi, proprio come una molla normale, semplice no?

Apparentemente si, approfondendo un po' il discorso noterete che la semplicità scema per lasciare posto, non alla difficoltà ma alla precisione.

Essendo equiparato ad una molla anche per i legami esiste:

•   Uno stiramento massimo che il legame può raggiungere. Potremo allontanare due atomi fino ad un certo punto e non all'infinito, ovvero potremo allontanarli finché il legame-molla non raggiunge il suo limite di deformazione elastica;
• Una compressione minima che il legame può raggiungere. Potremo avvicinare due atomi fino ad un certo punto, ovvero finché il legame-molla non raggiunge il suo limite di compressione; 
•  Una posizione di equilibrio per la quale il legame-molla, si trova “a riposo”.

Mentre per le molle vere e proprie questi “limiti” è possibile verificarli anche sperimentalmente, per i legami è un po' più difficile, ma non impossibile...

Da cosa dipendono questi limiti? Per le molle, ovviamente dal materiale che si “appende” o dalla forza di compressione che si esercita all'estremità. Per quanto riguarda i legami questi limiti dipendono, di fatto, da un solo fattore: il tipo di atomo posti alle estremità di questo.

Mai come in questo caso, fisica e chimica si sono fuse e mutualmente scambiate informazioni. Il nostro punto di incontro si chiama “potenziale di Morse”, dal nome del fisico statunitense Philip M. Morse. Questo potenziale è un conveniente modello per rappresentare il comportamento dell'energia potenziale di una molecola biatomica e, in generale, ci viene in soccorso per capire in maniera semplice ma corretta come mai il legami fra due atomi sono proprio di quella lunghezza e non di un’altra e solitamente costante.

Morse, basandosi su quanto in maniera un po' confusa ho presentato fino ad adesso, stabilì che il legame inteso come una molla, altri non è che un oscillatore armonico quantistico.

Pertanto due atomi possono essere posti a diverse distanze tra di loro, dal molto distante (per non parlare dell'infinitamente distante) al molto vicino.

Più due atomi sono lontani maggiore è la possibilità che si superi il “limite di deformazione elastica” e il legame si “rompa” (coppie di atomi spostati a dx del grafico) Più due atomi sono vicini, maggiore è la possibilità che si superi il limite di compressione del legame e quindi il legame nemmeno si formi (a causa della repulsione di carica). Due atomi messi ad una determinata distanza, fanno verificare la situazione di equilibrio del legame. Mettendo questi punti su un grafico cartesiano otteniamo una curva più o meno così:

Nel punto in cui la curva forma una sorta di cuspide si ha l'equilibrio e quindi il legame-molla si forma. Spostandosi verso destra lungo la curva il legame si “disgrega” per un eccessivo allontanamento degli atomi, spostandosi invece verso sx, la disgregazione avviene per un eccessivo avvicinamento e quindi per repulsione.

Di seguito si può osservare un grafico in cui vengono confrontati gli andamenti della curva di Morse e la curva teorica dell'oscillatore armonico.

Abbiamo finalmente capito (spero!) grazie alla fisica e alla chimica,  perché  i legami si formano e soprattutto perché hanno sempre (circa!!!) la stessa lunghezza!!!

Abbiamo anche gettato le basi per iniziare a capire il funzionamento della spettroscopia IR, ma questa è un'altra storia...