Biologia I

Un altro modo in cui la regola dell’ottetto può essere soddisfatta è la condivisione di elettroni tra gli atomi per formare legami covalenti. Questi legami sono più forti e molto più comuni dei legami ionici nelle molecole degli organismi viventi. I legami covalenti si trovano comunemente nelle molecole organiche a base di carbonio, come il nostro DNA e le proteine. I legami covalenti si trovano anche in molecole inorganiche come H2O, CO2 e O2. Una, due o tre coppie di elettroni possono essere condivise, creando rispettivamente legami singoli, doppi e tripli. Più legami covalenti ci sono tra due atomi, più forte è il loro legame. Così, i legami tripli sono i più forti.

La forza dei diversi livelli di legame covalente è uno dei motivi principali per cui gli organismi viventi hanno difficoltà ad acquisire l’azoto da usare nella costruzione delle loro molecole, anche se l’azoto molecolare, N2, è il gas più abbondante nell’atmosfera. L’azoto molecolare è composto da due atomi di azoto legati in modo triplo tra loro e, come in tutte le molecole, la condivisione di queste tre coppie di elettroni tra i due atomi di azoto permette il riempimento dei loro gusci elettronici esterni, rendendo la molecola più stabile dei singoli atomi di azoto. Questo forte triplo legame rende difficile per i sistemi viventi scindere questo azoto per usarlo come costituente delle proteine e del DNA.

La formazione delle molecole di acqua fornisce un esempio di legame covalente. Gli atomi di idrogeno e di ossigeno che si combinano per formare le molecole d’acqua sono legati insieme da legami covalenti. L’elettrone dell’idrogeno si divide tra il guscio esterno incompleto degli atomi di idrogeno e il guscio esterno incompleto degli atomi di ossigeno. Per riempire completamente il guscio esterno dell’ossigeno, che ha sei elettroni nel suo guscio esterno ma che sarebbe più stabile con otto, sono necessari due elettroni (uno da ogni atomo di idrogeno): da qui la nota formula H2O. Gli elettroni sono condivisi tra i due elementi per riempire il guscio esterno di ciascuno, rendendo entrambi gli elementi più stabili.

Guarda questo breve video per vedere un’animazione del legame ionico e covalente.

Legami covalenti polari

Ci sono due tipi di legami covalenti: polari e non polari. In un legame covalente polare, mostrato nella figura 1, gli elettroni sono condivisi in modo ineguale dagli atomi e sono attratti più da un nucleo che dall’altro. A causa della distribuzione ineguale degli elettroni tra gli atomi di elementi diversi, si sviluppa una carica leggermente positiva (δ+) o leggermente negativa (δ-). Questa carica parziale è una proprietà importante dell’acqua e spiega molte delle sue caratteristiche.

L’acqua è una molecola polare, con gli atomi di idrogeno che acquisiscono una parziale carica positiva e l’ossigeno una parziale carica negativa. Questo accade perché il nucleo dell’atomo di ossigeno è più attraente per gli elettroni degli atomi di idrogeno di quanto lo sia il nucleo dell’idrogeno per gli elettroni dell’ossigeno. Così l’ossigeno ha un’elettronegatività più alta dell’idrogeno e gli elettroni condivisi passano più tempo in prossimità del nucleo dell’ossigeno che non vicino al nucleo degli atomi di idrogeno, dando agli atomi di ossigeno e idrogeno cariche leggermente negative e positive, rispettivamente. Un altro modo di dire questo è che la probabilità di trovare un elettrone condiviso vicino a un nucleo di ossigeno è più probabile che trovarlo vicino a un nucleo di idrogeno. In entrambi i casi, l’elettronegatività relativa dell’atomo contribuisce allo sviluppo di cariche parziali ogni volta che un elemento è significativamente più elettronegativo dell’altro, e le cariche generate da questi legami polari possono poi essere utilizzate per la formazione di legami idrogeno basati sull’attrazione di cariche parziali opposte. (I legami a idrogeno, che sono discussi in dettaglio più avanti, sono legami deboli tra atomi di idrogeno leggermente caricati positivamente e atomi leggermente caricati negativamente in altre molecole). Poiché le macromolecole hanno spesso atomi al loro interno che differiscono per elettronegatività, i legami polari sono spesso presenti nelle molecole organiche.

Legami covalenti non polari

I legami covalenti non polari si formano tra due atomi dello stesso elemento o tra elementi diversi che condividono equamente gli elettroni. Per esempio, l’ossigeno molecolare (O2) è non polare perché gli elettroni saranno equamente distribuiti tra i due atomi di ossigeno.

Un altro esempio di legame covalente non polare è il metano (CH4), mostrato anche nella figura 1. Il carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio più esterno e ha bisogno di altri quattro per riempirlo. Ottiene questi quattro da quattro atomi di idrogeno, ogni atomo ne fornisce uno, creando un guscio esterno stabile di otto elettroni. Il carbonio e l’idrogeno non hanno la stessa elettronegatività, ma sono simili, quindi si formano legami non polari. Gli atomi di idrogeno hanno bisogno ciascuno di un elettrone per il loro guscio più esterno, che viene riempito quando contiene due elettroni. Questi elementi condividono equamente gli elettroni tra i carboni e gli atomi di idrogeno, creando una molecola covalente non polare.

Figura 1. Se una molecola è polare o non polare dipende sia dal tipo di legame che dalla forma molecolare. Sia l’acqua che l’anidride carbonica hanno legami covalenti polari, ma l’anidride carbonica è lineare, quindi le cariche parziali sulla molecola si annullano a vicenda.