Calcolatore dell'Ordine di Legame - Determina la Forza del Legame Molecolare

Che cos'è l'ordine di legame?

L'ordine di legame è un numero che indica quanti legami chimici collegano due atomi in una molecola. Deriva dalla teoria degli orbitali molecolari, un modello del legame chimico in cui gli elettroni occupano orbitali condivisi che circondano l'intera molecola, invece di rimanere su un solo atomo. Un ordine di legame pari a 1 indica un legame singolo, 2 un legame doppio e 3 un legame triplo. L'ordine di legame predice anche la forza e la lunghezza del legame: un ordine di legame maggiore corrisponde a un legame più corto e più forte.

Formula dell'ordine di legame

Gli orbitali molecolari sono di due tipi. Un orbitale di legame contiene elettroni che avvicinano i due atomi. Un orbitale antilegante contiene elettroni che allontanano gli atomi. L'ordine di legame si calcola a partire dagli elettroni presenti in ciascun tipo:

$\text{Ordine di legame} = \frac{\text{elettroni di legame} - \text{elettroni antileganti}}{2}$

La divisione per 2 tiene conto del fatto che un legame corrisponde a una coppia condivisa di elettroni.

Come calcolare l'ordine di legame

1. Individuare il diagramma degli orbitali molecolari della molecola oppure determinare quanti elettroni di valenza possiede.
2. Contare gli elettroni presenti negli orbitali di legame (indicati con σ e π).
3. Contare gli elettroni presenti negli orbitali antileganti (indicati con σ* e π*).
4. Sottrarre il numero di elettroni antileganti da quello degli elettroni di legame.
5. Dividere il risultato per 2.

Esempio svolto: ossigeno (O₂)

L'ossigeno ha 12 elettroni di valenza. Il riempimento del suo diagramma degli orbitali molecolari colloca 8 elettroni negli orbitali di legame e 4 negli orbitali antileganti.

Ordine di legame = (8 − 4) / 2 = 2

Questo concorda con il doppio legame O=O osservato sperimentalmente dai chimici. Il modello degli orbitali molecolari spiega anche perché O₂ è paramagnetico (attratto da un campo magnetico): due dei suoi elettroni antileganti sono spaiati, cosa che una semplice struttura di Lewis non può mostrare.

Molecole comuni e relativi ordini di legame

Gli ordini di legame frazionari, come 2,5 per il monossido di azoto (NO), si verificano quando una molecola ha un numero dispari di elettroni oppure quando la sua struttura è una combinazione di più disposizioni. Il benzene è un esempio noto non incluso in questa tabella: ogni legame carbonio-carbonio ha un ordine di legame pari a 1,5, a metà tra un legame singolo e uno doppio, perché gli elettroni dell'anello sono distribuiti uniformemente su tutti e sei gli atomi di carbonio invece di essere localizzati.

Il triplo legame dell'azoto è insolitamente forte, motivo per cui il gas N₂ resiste alla dissociazione, anche se l'azoto costituisce la maggior parte dell'atmosfera terrestre. Il fluoro, nonostante sia un elemento altamente reattivo, ha solo un legame singolo in F₂; questo legame relativamente debole è una delle ragioni per cui F₂ reagisce così facilmente con altre sostanze.

Uso del calcolatore

Inserire nella casella di input una formula chimica, ad esempio O2, N2, CO o H2O, usando numeri normali invece dei pedici. L'ordine di legame compare automaticamente non appena viene inserita una formula riconosciuta; non è necessario premere un pulsante separato. Selezionare Reimposta per cancellare il campo.

Le formule distinguono tra maiuscole e minuscole: CO (monossido di carbonio) non è la stessa voce di co o Co. Lo strumento riconosce un elenco fisso di 37 molecole comuni: 13 diatomiche omonucleari come H₂ e O₂, e 24 composti semplici come CO₂, NH₃ e NaCl. Per una molecola con più di due atomi fornisce l'ordine di legame del legame principale, anziché un valore per ogni legame. Per CO₂ si tratta di un legame C=O, quindi la risposta è 2; per l'etene (C₂H₄) è il legame C=C, quindi anche in questo caso la risposta è 2, non una media che includa i quattro legami singoli C–H. Una formula al di fuori dell'elenco restituisce un messaggio che indica che l'ordine di legame non è disponibile.

Il diagramma accanto al risultato traccia una linea per ogni legame completo, come in una formula di struttura: una linea per un legame singolo, due per un legame doppio e tre per un legame triplo. Un ordine di legame frazionario aggiunge una linea tratteggiata per la parte residua di un legame, quindi NO (2,5) viene rappresentato con due linee continue e una tratteggiata.

Relazione tra ordine di legame, forza e lunghezza del legame

L'ordine di legame e la lunghezza del legame variano in senso opposto: all'aumentare dell'ordine di legame, la lunghezza diminuisce. L'ordine di legame e la forza del legame variano insieme: all'aumentare dell'ordine di legame aumenta anche l'energia necessaria per rompere il legame. I legami carbonio-carbonio illustrano chiaramente questo andamento.

Lo stesso andamento si osserva nella spettroscopia infrarossa, una tecnica che identifica i legami in base alla frequenza della luce che assorbono. I legami tripli vibrano a frequenze più alte dei legami doppi, che a loro volta vibrano a frequenze più alte dei legami singoli; perciò i chimici spesso riescono a stabilire quale tipo di legame è presente semplicemente osservando a quale frequenza un campione assorbe la luce infrarossa.

Limiti dell'ordine di legame

La formula precedente funziona bene per le molecole covalenti semplici, in cui due atomi condividono direttamente gli elettroni. In altri casi si applica in modo meno preciso.

Le molecole con risonanza, come il benzene o l'ozono, ricevono soltanto un ordine di legame medio, anziché un valore riferito a una singola struttura esatta. I composti dei metalli di transizione coinvolgono orbitali d e altri effetti che la formula di base, basata sulla differenza tra elettroni di legame ed elettroni antileganti, non considera; in questi casi i chimici usano metodi più specializzati, come l'ordine di legame di Mayer.

I composti ionici costituiscono un caso completamente distinto. Il cloruro di sodio (NaCl) è tenuto insieme dall'attrazione elettrica tra gli ioni Na⁺ e Cl⁻, non da una coppia condivisa di elettroni in un orbitale molecolare. Un ordine di legame basato sugli orbitali molecolari non descrive rigorosamente questo tipo di legame. Alcune tabelle di riferimento, incluso questo calcolatore, riportano comunque un valore nominale ricavato dalla formula di Lewis (1 per NaCl, 2 per MgO), ma questo numero non ha lo stesso significato fisico che ha per una molecola covalente come O₂ o N₂.

Domande frequenti

Che cos'è l'ordine di legame in parole semplici? È un numero che indica quanti legami tengono uniti due atomi: 1 per un legame singolo, 2 per un legame doppio, 3 per un legame triplo e frazioni come 1,5 per le molecole con risonanza.

Come si calcola l'ordine di legame? Si sottrae il numero di elettroni antileganti dal numero di elettroni di legame, quindi si divide per 2.

Perché l'azoto (N₂) ha un ordine di legame maggiore dell'ossigeno (O₂)? N₂ ha solo 2 elettroni antileganti, mentre O₂ ne ha 4. Un numero inferiore di elettroni antileganti significa un legame netto più forte, quindi l'ordine di legame di N₂, pari a 3, è maggiore dell'ordine di legame di O₂, pari a 2.

L'ordine di legame può essere frazionario? Sì. Le molecole con un numero dispari di elettroni di valenza o con risonanza tra più strutture hanno ordini di legame frazionari, come 2,5 per NO o 1,5 per i legami carbonio-carbonio del benzene.

Un ordine di legame maggiore indica sempre una molecola più stabile? Di solito un ordine di legame maggiore indica un singolo legame più forte, ma la stabilità molecolare complessiva dipende anche dalla geometria, dalla risonanza e dalla stabilità dei prodotti che si formerebbero in una reazione.

L'ordine di legame si applica ai composti ionici come il sale da cucina? Non in senso strettamente basato sugli orbitali molecolari. I composti ionici sono tenuti insieme dall'attrazione tra ioni carichi anziché da coppie di elettroni condivise, quindi la formula basata sulla differenza tra elettroni di legame ed elettroni antileganti non li descrive realmente, anche quando per comodità viene riportato un valore nominale.

Riferimenti

1. Mulliken, R. S. (1955). "Analisi della popolazione elettronica delle funzioni d'onda molecolari LCAO-MO." The Journal of Chemical Physics, 23(10), 1833–1840.
2. Pauling, L. (1931). "La natura del legame chimico." Journal of the American Chemical Society, 53(4), 1367–1400.
3. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10 edizione). Oxford University Press.
4. Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2018). Inorganic Chemistry (5 edizione). Pearson.