I legami covalenti in un cristallo di quarzo
La struttura del cristallo nella foto è stata presa al Museo della scienza di Monaco . Rappresenta la disposizione dei legami covalenti tra gli atomi di silicio e di ossigeno nel quarzo . La natura di questi legami venne investigata da Lewis all’inizio del novecento in un suo celebre saggio “Atomi e Molecole”. Come insegnante di chimica ho tradotto il saggio di Gilbert Newton Lewis (Chimico statunitense 1875- 1946 ) perché sentivo fortemente l’esigenza di comprendere l’origine del concetto di legame covalente . Non mi hanno mai soddisfatto le presentazioni nei libri di testo scolastici che danno del legame covalente. Anche nei testi universitari non è presentato in modo più convincente .
La domanda da porsi
Manca sempre la risposta ad una fondamentale domanda : quali dati conoscitivi hanno permesso di concepire il più semplice legame tra due atomi costituito da due elettroni ? Se pensiamo che la prima interpretazione del legame fatta da Lewis risale all’anno 1902, cioè solo quattro anni dopo la scoperta dell’elettrone e molti anni prima del modello atomico di Bohr, si comprende come sia importante capire in quale contesto conoscitivo si sia mosso Lewis . Tale comprensione non serve solo ad appagare una ovvia curiosità , ma diventa uno strumento da utilizzare nella pratica didattica . Il legame chimico rappresenta un concetto prioritario nell’insegnamento della chimica . Fornire un concetto-pilastro cosi fondamentale allo studente in modo assiomatico non rappresenta certo un buon approccio .
Il terreno su cui si muove Gilbert Lewis
Gilbert Lewis ( 1875 – 1946 ) Chimico statunitense . Descrisse per primo il legame covalente.
Il terreno su cui si muove Lewis è il terreno delle conoscenze che gli offre la chimica . Si tratta per lui di utilizzare le nuove scoperte fatte sulla struttura atomica per interpretare dati sperimentali che sono già disponibili . E’ uno scienziato poco incline a fare molte ipotesi o creare teorie, ma compie una operazione concettuale che è nel complesso deduttiva. Ecco perché conoscere il suo percorso ci mette nella condizione come insegnanti di offrire agli studenti un concetto che può sembrare in apparenza astratto, costruito a priori ma che trova invece le fondamenta su elementi di grande concretezza .
Da dove parte Gilbert Lewis
Lewis si appropria della conoscenza recente della scoperta dell’elettrone , per dare una rappresentazione del legame chimico nello stesso tempo puntuale e generale. Puntuale perché coglie le fondamenta del legame nella presenza di coppie di elettroni sotto l’influenza di due atomi ; generale perché attorno a questo nucleo principale vengono interpretati i diversi gradi di legame, dal meno polare a quello più fortemente polarizzato, oggi si direbbe covalente puro il primo e ionico il secondo . Essi sono visti come due estremi di una variabilità ricca di sfumature infinite. E attraverso questa sorta di unitarietà del legame chimico egli conduce la chimica organica e quella inorganica nello stesso alveo. La nuova visione unitaria della scienza chimica è un contributo importante che ci da Lewis. L’enunciato della sua teoria sul legame si sviluppa insieme a quella della struttura atomica nella quale trova posto preminente la sua idea forte di nocciolo atomico e di shell esterno.
I sei postulati di Gilbert Lewis
La teoria si articola in sei postulati . Ciascun postulato è poi commentato in modo esauriente . Questa parte è davvero interessante perché fa comprendere in modo chiaro ed elegante tutta la sua costruzione. Perché non commentare con gli studenti i postulati della teoria del legame di Lewis discutendo della sua forza e dei suoi limiti? ( di cui anche Lewis si mostra in parte consapevole ) , così come facciamo di solito con un’altra teoria importante che è la teoria atomica di Dalton. .
Il modello di Lewis
La rappresentazione della struttura atomica degli atomi dei due primi periodi
La disposizione degli elettroni nello shell esterno a simmetria cubica e poi tetraedrica , quando tratta dell’atomo di carbonio, presenta sempre in ogni caso un atomo i cui elettroni sono statici, fermi in posizioni determinate. E’ un atomo che non coincide con il nascente atomo dei fisici, di cui Lewis conosce i caratteri ; è proprio qui che interviene la rottura tra il suo modello che egli ricava da deduzioni squisitamente chimiche, dal modello teorico dei fisici che nasce da un contesto di conoscenze non specificamente chimiche. Egli sorvola deliberatamente sulle ipotesi della natura delle forze che agiscono all’interno dell’atomo e sulla nascente fisica quantistica; il suo obiettivo è un modello atomico che spieghi, attraverso la natura del legame chimico, l’esistenza delle molecole .
Le predizioni del suo modello
È sorprendente come, pur partendo da premesse fisicamente non corrette, elabori un modello con il quale spieghi in modo coerente molti fatti inerenti ai legami chimici e alla struttura e reattività delle molecole. Introduce anche quel concetto fecondo che è la risonanza, da lui chiamata tautomeria . Spiega l’effetto induttivo attraverso il quale da una attualissima spiegazione della variazione dell’acidità al variare dei sostituenti in una molecola . La struttura atomica e il legame chimico di Lewis sono costruzioni ardite , fecondissime che poggiano quasi interamente sul corpo di conoscenze chimiche . Varrebbe proprio la pena di far conoscere agli studenti come è nato e come, malgrado dei limiti fisici obiettivi, abbia potuto questo suo modello portare tanto avanti nella comprensione della scienza chimica.
Il saggio di Gilbert Lewis : ” Gli atomi e le molecole “
Il saggio è stato tradotto in lingua italiana
Il saggio in lingua originale
