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Gli atomi che abbiamo studiato finora hanno un ugual numero di protoni e di elettroni, e le cariche elettriche totali si bilanciano: un atomo è dunque elettricamente neutro. Questo però  non vuol dire che sia anche stabile, anzi sono pochissimi gli atomi che si possono trovare isolati nell'ambiente. Tutti gli atomi, a causa di questa loro instabilità, tendono a formare legami con altri atomi, di elementi uguali o diversi. Solo pochi elementi, i gas nobili, non formano legami, in quanto possiedono 8 elettroni nel livello energetico più esterno. Quando due o più atomi si legano tra loro si formano dei composti con proprietà chimiche e fisiche diverse da quelle degli atomi di partenza. Le unità elementari dei composti sono le molecole, caratterizzate da un preciso rapporto tra gli elementi che le compongono. La molecola è la più piccola parte in cui può essere suddiviso un composto senza che questo perda le sue caratteristiche.

Formando un legame gli atomi cercano appunto di portare ad otto il numero di elettroni del livello energetico più esterno, o in generale a riempirlo o svuotarlo. Lo fanno seguendo due vie: perdere o acquistare elettroni oppure condividere con un altro atomo i propri elettroni. Vediamo come...

Questo tipo di legame si realizza quando si legano elementi dalle proprietà chimiche molto diverse. Prendiamo come esempio il sodio e il cloro. Il sodio è un metallo, solido a temperatura ambiente e fortemente reattivo. Ha numero atomico 11, ha quindi 11 protoni e 11 elettroni, ma solo 1 nel livello energetico più esterno. Per raggiungere la stabilità deve perdere questo elettrone, raggiungendo gli otto elettroni nel livello inferiore.
Il cloro è un gas, anche lui fortemente reattivo: ha numero atomico 17, il che vuol dire che ha 17 protoni nel nucleo e 17 elettroni, di cui 7 nel livello energetico più esterno. Deve acquistarne uno per essere stabile.

Ecco quello che accade:

Quando questi due elementi si legano fanno proprio questo: il sodio cede il suo elettrone al cloro. In questo modo però si altera la neutralità elettrica dei due elementi: il sodio avrà una carica negativa in meno e diventerà uno ione positivo. Il cloro avrà una carica negativa in più e diventerà  uno ione negativo. Il legame ionico è quel legame elettrostatico che si realizza tra ioni di segno opposto. Uno ione è un atomo che ha perso o acquistato uno o più elettroni. È positivo se ha perso elettroni, è negativo se li ha acquistati.

L'elettrone del sodio viene catturato dal cloro; il sodio diventa uno ione positivo e il cloro diventa uno ione negativo. Tra i due ioni si stabilisce un'attrazione elettrostatica che terrà legati i due atomi nel nuovo composto, il cloruro di sodio. 
La struttura macroscopica del cloruro di sodio, a cristalli di forma cubica, dipende dalla posizione che gli ioni sodio e cloro occupano nello spazio.

Le proprietà dei composti ionici sono legate al modo con cui gli ioni si legano.
I composti ionici sono solidi a temperatura ambiente, molto resistenti alla compressione ma non alla trazione. Non sono conduttori di elettricità in quanto le cariche elettriche (gli ioni) sono bloccati nel reticolo cristallino. Ma se vengono sciolti in acqua, liberano gli ioni e la soluzione diventa conduttrice (viene chiamata soluzione elettrolitica ogni soluzione in cui siano sciolti dei sali).

I composti ionici non hanno una molecola vera e propria; la loro forma dipende dal numero degli ioni che si sono uniti. La formula con la quale si rappresentano indica il rapporto minimo che si registra tra gli ioni. Il cloruro di sodio (NaCl) è formato da ioni sodio e cloro in rapporto 1:1, mentre il cloruro di magnesio (MgCl₂) è costituito da ioni magnesio e cloro nel rapporto 1:2.

Questo tipo di legame si realizza quando si legano elementi dalle proprietà chimiche simili, i non-metalli, elementi caratterizzati dal possedere un alto numero di elettroni nel livello energetico esterno. In questa situazione nessuno dei due atomi è disposto a cedere i suoi elettroni, ma cerca di sottrarli all'altro atomo. Il legame si realizza perché i due atomi mettono in comune i propri elettroni fino a raggiungere l'ottetto; gli elettroni che vengono messi in comune prendono il nome di elettroni di legame.

L'acido cloridrico è un esempio di legame covalente.

L'idrogeno ha un elettrone nel livello energetico esterno e il cloro ne ha sette; mettendo in comune una coppia di elettroni (uno dell'idrogeno e uno del cloro) si realizza il legame covalente, che tiene uniti i due atomi.

Un legame di questo tipo è più forte del legame ionico visto in precedenza. All'interno di questa categoria di legami la forza aumenta all'aumentare del numero di coppie di legame esistenti tra i due elementi.
 

Qui a fianco vediamo ciò che accade all'interno della molecola di cloro. Ogni atomo condivide un elettrone con l'altro, creando una coppia di elettroni condivisa che terrà uniti i due atomi finché qualche forza esterna non li separerà. I composti covalenti hanno, di solito, forma ridotta e sono caratterizzati da una precisa formula che, in questo caso rappresenta gli atomi costituenti e il loro numero. L'ammoniaca NH3 è formata da un atomo di azoto e da tre atomi di idrogeno.

Legame metallico

Come fanno il sodio e gli altri metalli a presentarsi in forma solida e a condurre elettricità?
Esiste un terzo tipo di legame tra atomi: quello metallico. Quando gli atomi di un elemento metallico si trovano insieme non formano legami covalenti: il sodio, per esempio, ha solo 1 elettrone nel livello più esterno e insieme ad un altro atomo di sodio non potrebbe raggiungere l'ottetto né cedendo né condividendo elettroni.

All'interno della struttura si trovano gli atomi sotto forma di ioni, mescolati ai propri elettroni (vengono chiamati "mare di elettroni"). Gli ioni positivi non si respingono tra loro proprio grazie alla presenza degli elettroni che restano liberi di muoversi: ecco spiegata la capacità di essere conduttori di elettricità tipica dei metalli.

I tre tipi di legame che abbiamo studiato riguardano il caso in cui siano atomi a legarsi tra loro. Esistono altri legami, di natura diversa, che legano tra loro le molecole, formando strutture più complesse.
Il legame intermolecolare che ci interessa è il legame idrogeno, un legame molto debole, ma fondamentale.

Questo legame si realizza a causa della polarità della molecola dell'acqua; questa molecola non è uno ione (cioè non ha una carica elettrica "piena") ma presenta forti frazioni di carica elettrica localizzate all'estremità della molecola. Quando la temperatura è maggiore di 100°C l'energia posseduta dalle molecole è più forte di questo legame e ogni particella è indipendente dalle altre e l'acqua è allo stato gassoso.
Al calare della temperatura l'energia posseduta (che esprime la velocità con cui si muovono le particelle) diminuisce e cominciano a formarsi dei legami idrogeno e si ha la condensazione allo stato liquido.
Quando la temperatura scende sotto lo 0°C tutte le molecole sono legate tra loro l'acqua si trasforma in ghiaccio (acqua allo stato solido) che galleggia sul liquido su cui si è formato. L'aumento di volume è dovuto al fatto che la distanza tra le molecole nello stato liquido è minore rispetto a quella dovuta alla presenza massiccia di legami idrogeno.