Scoperto nuovo tipo di legame chimico ultra forte?

Immagine - Un'immagine mostra una goccia d'acqua appesa a una foglia di felce. I legami idrogeno legano le molecole d'acqua l'una all'altra, dando alla goccia la sua forma caratteristica. Tuttavia, i legami idrogeno si rompono facilmente. Un gruppo di ricercatori ha recentemente scoperto una forma di legame idrogeno così forte da essere paragonabile ai legami covalenti che legano idrogeno e ossigeno insieme nelle molecole d'acqua all'interno di una goccia. Credits: Louise Docker, Wikimedia Commons/CC BY 2.0

Gli scienziati hanno recentemente scoperto un tipo completamente nuovo di legame chimico, molto più forte di quanto dovrebbe essere.

Il nuovo tipo di legame mostra che la divisione tra potenti legami covalenti (quelli che legano le molecole insieme) e deboli legami idrogeno (quelli cioè che si formano tra molecole e possono essere spezzati facilmente come mescolare il sale in un bicchiere d'acqua) non è così chiara come suggeriscono i libri di testo di chimica.

Se pensiamo alle lezioni di chimica delle scuole superiori possiamo ricordare che esistono diversi tipi di legami che collegano gli atomi in molecole e strutture cristalline. 

I legami ionici collegano metalli e non metalli per formare sali. Forti legami covalenti legano molecole come l’anidride carbonica e l’acqua. Legami idrogeno molto più deboli si formano a causa di un’attrazione di tipo elettrostatico di tra l’idrogeno e un atomo o una molecola caricati negativamente, ad esempio facendo sì che le molecole d'acqua si attirino a vicenda e formino goccioline o ghiaccio cristallino.

Stabilità dei legami ionici, covalenti e idrogeno

I legami ionici, covalenti e idrogeno sono tutti relativamente stabili; tendono a durare per lunghi periodi di tempo e hanno effetti facilmente osservabili. Ma i ricercatori hanno sempre saputo che durante una reazione chimica, mentre i legami chimici si stanno formando o si rompendo, la storia è più complicata di così e coinvolge "stati intermedi" che possono esistere per brevi frazioni di secondo e sono più difficili da osservare. 

Un legame idrogeno con la forza di un legame covalente?

In un nuovo studio, i ricercatori sono riusciti a mantenere attivi questi stati intermedi per un tempo sufficientemente lungo così da effettuare un esame dettagliato. Quello che hanno scoperto è stato un legame idrogeno con la forza di un legame covalente, un legame in grado di legare gli atomi assieme in qualcosa che assomiglia a una molecola.

Per ottenere tale risultato i ricercatori hanno sciolto un composto di fluoruro di idrogeno (anche conosciuto come acido fluoridrico) in acqua e hanno visto in che modo gli atomi di idrogeno e fluoro interagivano. Gli atomi di fluoro sono stati attratti dagli atomi di idrogeno a causa degli squilibri di cariche positive e negative sulle loro superfici, la classica struttura di un legame idrogeno. Ogni atomo di idrogeno tendeva a posizionarsi tra due atomi di fluoro.

Ma tali legami erano tenuti insieme con molta più forza rispetto ai tipici legami idrogeno che vengono spezzati facilmente. Gli atomi di idrogeno rimbalzano avanti e indietro tra gli atomi di fluoro, formando legami forti come legami covalenti e assomigliano a molecole, cosa che i legami idrogeno non dovrebbero essere in grado di formare. Ma il meccanismo del nuovo legame è elettrostatico, il che significa che coinvolge differenze nella carica positiva e negativa che definiscono i legami idrogeno.

I nuovi legami hanno una forza di circa 1916,27 Kj/mol, maggiore di alcuni legami covalenti. Le molecole di azoto, ad esempio, sono fatte di due atomi di azoto legati insieme con una forza di circa 160 Kj/mol. Un legame idrogeno ha tipicamente un'energia da 432 kj/mol, secondo il sito gchem.

I ricercatori hanno descritto i loro risultati nell'articolo Crossover from hydrogen to chemical bonding pubblicato venerdì (8 gennaio) sulla rivista Science. In un altro articolo (2) sempre su Science, Mischa Bonn e Johannes Hunger, ricercatori del Max Planck Institute for Polymer Research in Germania (ricercatori che non sono stati coinvolti nello studio), affermano che questo legame insolito tende a offuscare le categorie della chimica.

«L'esistenza di uno stato legato ibrido covalente-idrogeno non solo sfida la nostra attuale comprensione di cosa sia esattamente un legame chimico ma offre anche l'opportunità di comprendere meglio le reazioni chimiche», hanno scritto i ricercatori, «dove gli "stati di reazione intermedia" sono spesso invocati ma raramente studiati direttamente».

Secondo i ricercatori legami simili esistono probabilmente nell'acqua pura, quando un atomo di idrogeno si trova tra due molecole d'acqua. Gli scienziati ipotizzano che questi legami esistano ma non siano poi così longevi.
 

Questo studio potrebbe aprire le porte a una "comprensione più profonda dei legami chimici forti" e degli stati di reazione intermedi. 

Riferimenti:
 

1) Crossover from hydrogen to chemical bonding, Science AAAS
DOI: 10.1126/science.abe1951

2) Between a hydrogen and a covalent bond, Science AAAS 
DOI: 10.1126/science.abf3543