Linus Carl Pauling è lo scienziato che ha fondato la moderna teoria del legame chimico
La teoria sul legame chimico è legata a due scoperte fondamentali del ‘900: l’elettrone e la meccanica quantistica. Fu grazie alla teoria del legame chimico che permise di interpretare le reazioni in termini di rottura o costituzione di unioni provocate dal trasferimento di elettroni. A definire la natura dei legami chimici forti e deboli e a spiegare il legame covalente e quello ionico fu Linus Carl Pauling.
Le teorie sul legame chimico
Nella seconda metà dell’Ottocento nasce la teoria della valenza, formulata da Hermann Kolbe ed Edward Frankland. Secondo questa teoria, ogni atomo ha una certa valenza, esprimibile con un numero definito, che rappresenta la capacità di combinarsi con altri atomi, indipendentemente dal carattere degli atomi che si uniscono.
Sarà poi Archibald Scott Couper a concepire un sistema di visualizzazione bidimensionale delle molecole e delle loro valenze, indicando con un semplice tratto i legami tra gli atomi. Nel 1861, Aleksandr Michajlovic Butlerov introduce il termine “struttura” per indicare questo nuovo modo di rappresentazione.
Friedrich August Kekulé von Stradonitz unisce i dati sulle valenze con le nuove concezioni sulla struttura delle molecole organiche. Kekulé propone il valore 4 per indicare la valenza del carbonio e definisce la chimica organica come la chimica dei composti del carbonio.
Nel 1874 il chimico Jacobus Hendricus van t’Hoff afferma che i 4 legami del carbonio si dispongono nello spazio tridimensionale in modo simmetrico intorno all’atomo. Se invece le valenze vengono saturate da 4 gruppi differenti si ha un’asimmetria. Ed è proprio a questa asimmetrica che va attribuita la diversità di proprietà ottiche riscontrata tempo prima da Louis Pasteur.
La teoria della valenza e la scoperta dell’elettrone
La teoria della valenza evolve in seguito alla scoperta dell’elettrone.
La scoperta dell’elettrone è connessa all’osservazione del comportamento dei gas rarefatti in presenza di scariche elettriche, scariche che producono radiazioni luminescenti intorno al catodo. Nel 1871 Cromwell Fletwood Varley sostiene che questa luminescenza è dovuta a particelle cariche negativamente.
Nel 1897 Joseph John Thomson scopre che è possibile deviare questi raggi luminosi tramite l’azione di un campo elettrico. Valutando l’orientamento della deviazione, Thomson dimostra che la radiazione è dovuta a particelle cariche negativamente cui attribuisce il nome di “elettroni”. L’intensità della deviazione serve invece a calcolare il rapporto tra la massa e la carica elettrica degli elettroni. Thomson calcola quindi che la massa dell’elettrone è circa 1.600 volte più piccola della massa dell’atomo di idrogeno.
Poco dopo gli studi di Thomson, il chimico Wilhelm Heinrich Abegg ipotizza che le reazioni chimiche possano essere il risultato del trasferimento di elettroni da un atomo all’altro.
Nel 1927, Walter Heinrich Heitler e Fritz Wolfgang London ipotizzano che il legame chimico possa dipendere direttamente dai principi della meccanica quantistica e concentrano i loro studi sulla molecola di idrogeno. Nel 1933, Huber Maxwell James e Albert Sprague Coolidge riescono a calcolare, con l’uso della meccanica quantistica, la lunghezza di legame e l’energia di dissociazione della molecola di idrogeno.
Circa negli stessi anni, tra il 1927 e il 1929, Friedrich Hund e Robert S. Mulliken pongono le basi per lo sviluppo della teoria degli orbitali molecolari, che diventerà parte essenziale della chimica quantistica.
Linus Pauling fonda la teoria del legame chimico
Gli studi di Heitler e London, per quanto importanti, non riuscirono a trovare seguito. Fu Linus Pauling a cogliere il valore degli studi dei due scienziati e a proseguirli.
Unendo il modello quanto-matematico di Heitler e London alle regole stabilite da Gilbert Newton Lewis sul rapporto tra legame chimico e coppia di elettroni, Pauling fonda la teoria del legame chimico.
Il 7 febbraio del 1931 viene pubblicato, sulla rivista “Journal of American Chemical Society”, l’articolo The Nature of the Chemical Bond. Applications of Results Obtained from the Quantum Mechanics and from the Theory of Paramagnetic Susceptibility to the Structure of Molecules. In questo articolo, Pauling descrive una serie di diagrammi polari degli orbitali atomici e degli orbitali ibridi che entreranno in tutti i manuali di chimica generale.
Nell’articolo, Pauling precisa inoltre la natura dei legami chimici forti e deboli, illustrando, all’interno dei legami forti, il meccanismo del legame covalente e di quello ionico, e rappresentando la coordinazione tetraedrica del carbonio.
Il volume The Nature of the Chemical Bond, and the Structure of Mlecules and Crystal, pubblicato nel 1939 e dedicato a Lewis, rappresenta una summa delle sue ricerche sulle quali si formerà un’intera generazione di chimici.
Grazie all’affermazione della teoria elettronica del legame chimico, le reazioni vengono interpretate come la rottura o la costituzione di unioni dovute al trasferimento di elettroni.
