L'atomo è composto principalmente da tre tipologie di particelle subatomiche (cioè di dimensioni minori dell'atomo): i protoni, i neutroni e gli elettroni. I protoni (carichi positivamente) e i neutroni (privi di carica) formano il "nucleo" (carico positivamente); gli elettroni (carichi negativamente) sono presenti nello stesso numero dei protoni e ruotano attorno al nucleo senza seguire un'orbita precisa (l'elettrone si dice quindi "delocalizzato"), rimanendo confinati all'interno degli orbitali (o "livelli energetici") (Figura 1).

Si definisce legame chimico la forza attrattiva che si stabilisce tra due o più atomi, uguali o diversi, permettendo loro di interagire a formare molecole o aggregati cristallini (Figura 2).

Tali interazioni riguardano principalmente gli elettroni più esterni degli atomi (di valenza) e producono modificazioni della struttura elettronica atomica.

I fondamenti della teoria elettronica del legame chimico si rifanno al modello di G.N. Lewis (1875-1946). Lewis concluse che la presenza all’esterno di otto elettroni, doveva essere considerata una condizione particolarmente stabile, alla quale tendono gli atomi di tutti gli elementi. In base a queste considerazioni, egli stabilì la regola dell’ottetto (Figura 3), secondo la quale ogni atomo, in base al numero di elettroni esterni di valenza, tende a cedere, acquistare o mettere in comune gli elettroni necessari al completamento del guscio elettronico esterno, per raggiungere in questo modo la configurazione elettronica del gas nobile più vicino.

La stabilità acquistata dagli atomi che si uniscono mediante un legame chimico è espressa dall’energia di legame, definita come l’energia necessaria per rompere un legame chimico, misurata in Kilocalorie/mole o Kilojoule/mole. La distanza media tra due nuclei atomici uniti da un legame chimico è detta distanza di legame.

Tipi di legame

Possiamo classificare i legami chimici secondo diversi modelli che dipendono dal tipo di atomi coinvolti nel legame.

Il legame ionico, si forma tra specie di accentuata differenza di elettronegatività. Si verifica il trasferimento di uno o più elettroni dall'atomo meno elettronegativo (che perdendo elettroni diventa uno ione positivo = catione) all’atomo più elettronegativo (che acquistando elettroni diventa uno ione negativo = anione). Sono molecole formate da legami ionici NaCl, KCl, Na₂SO₄, KClO₃. Nel cloruro di sodio, ad esempio, lo ione Na⁺ si circonda di 6 ioni Cl^- e lo ione Cl^- si circonda di 6 ioni Na⁺. Si forma il reticolo cristallino cubico di NaCl (Figura 4), cioè una struttura solida ordinata in cui gli ioni di carica opposta si alternano ordinatamente nelle tre direzioni dello spazio.

Il legame covalente si realizza con la condivisione di una o più coppie (doppietti) di elettroni da parte di due atomi, che acquistano una configurazione elettronica esterna stabile (ottetto). Esistono due tipi di legame covalente: il legame covalente puro, tra atomi dello stesso elemento (per esempio H₂) e il legame covalente polare, tra atomi di elementi diversi. Nel secondo caso la coppia di elettroni sarà attratta dall’atomo più elettronegativo, che acquisterà una parziale carica negativa (δ-), bilanciata da una parziale carica positiva (δ+) sull’atomo meno elettronegativo. La molecola costituisce un dipolo elettrico (per esempio la molecola HCl, Figura 5, o la molecola di acqua, H₂O).

Esiste anche un particolare tipo di legame covalente chiamato legame dativo nel quale un atomo detto donatore fornisce la coppia di elettroni di legame. Tale coppia di elettroni viene condivisa con un atomo detto accettore. Tale legame una volta formatosi non è distinguibile da un normale legame covalente.

I legami deboli includono le interazioni tra molecole, sia polari sia apolari, e comprendono: le interazioni dipolo/dipolo, le interazioni tra molecole non polari (genericamente indicate come forze di van der Waals), il legame a idrogeno, che, per esempio, tiene unite le molecole di acqua tra loro (Figura 6).

I legami intermolecolari hanno una forza nettamente inferiore rispetto a quella dei legami interatomici; questa forza anche se scarsa è significativa e importante per spiegare il comportamento dei composti molecolari.

Energia per le cellule

La luce solare è la fonte di tutta l’energia biologica. Essa viene convertita in energia chimica dalle piante, da alcune alghe e alcuni batteri. Questa energia chimica è racchiusa nelle molecole e viene trasferita mediante la creazione e la distruzione di legami chimici. I trasferimenti di energia che avvengono nelle cellule utilizzano un flusso di elettroni che va da una molecola a un’altra che abbia un potenziale elettrochimico più basso. Tutte le reazioni in cui si ha un flusso di elettroni sono reazioni di ossido-riduzione. In queste reazioni uno dei reagenti viene ossidato (perde elettroni) mentre un altro viene ridotto (acquista elettroni).

Le reazioni chimiche possono essere accoppiate in modo che una reazione che rilascia energia favorisca un'altra reazione che richiede energia. Le reazioni chimiche nei processi chiusi procedono spontaneamente fino a che non raggiungono l’equilibrio. Quando un sistema è all’equilibrio, la velocità di formazione dei prodotti diventa uguale a quella in cui i prodotti stessi si trasformano in reagenti. La variazione di energia che si ha quando un sistema passa da uno stato iniziale a quello di equilibrio, viene chiamata variazione di energia libera, ∆G. Ogni composto coinvolto in una reazione chimica contiene una certa quantità di energia potenziale, dovuta al tipo e dal numero dei legami chimici presenti. Nelle reazioni che avvengono spontaneamente, i prodotti possiedono meno energia libera dei reagenti, quindi la reazione rilascia energia (esoergonica). Le reazioni endoergoniche richiedono invece un rifornimento di energia libera. L’accoppiamento delle reazioni esoergoniche con quelle endoergoniche è uno degli aspetti essenziali negli scambi energetici delle cellule.

Il meccanismo di base di questi accoppiamenti energetici nelle reazioni biologiche agisce sempre attraverso un intermedio condiviso. La demolizione dell’adenosina trifosfato (ATP, Figura 7) è la reazione esoergonica che favorisce molti dei processi endoergonici delle cellule.

Infatti l’ATP è il principale trasportatore di energia chimica delle cellule. Il gruppo fosforico terminale dell’ATP viene trasferito a una grande varietà di accettori chimici, che diventano quindi attivati e suscettibili ad ulteriori trasformazioni chimiche. L’adenosina difosfato (ADP) che viene prodotta è riciclata (fosforilata) ad ATP a spese di altra energia chimica (generata durante l’ossidazione di sostanze nutrienti) o dall’energia solare (nelle cellule fotosintetiche). L’energia che viene liberata durante le reazioni esoergoniche può essere utilizzata per: 1) sintetizzare nuove molecole che verranno usate per sostituirne altre o per il naturale accrescimento della cellula; 2) per il lavoro meccanico della divisione cellulare e nelle contrazioni muscolari; 3) per il trasporto attivo contro un gradiente osmotico o ionico; 4) per mantenere il potenziale di membrana come nella conduzione e trasmissione nervosa; 5) nella secrezione cellulare.

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Produzione e risparmio di energia in agricoltura
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Impatto dei sistemi agricoli: Life Cycle Assessment (LCA) e la Carbon footprint
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