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Classificazione e nomenclatura dei composti chimici

Come sappiamo, i composti attualmente conosciuti sono circa 6 milioni ed il loro numero aumenta ad un ritmo di circa 6000 alla settimana. È chiaro quindi che una tale massa di sostanze ha bisogno di essere organizzata secondo regole chiare, semplici ed universalmente condivise. Lo scopo della nomenclatura è quindi proprio quello di fornire una serie di regole che permettano di individuare un composto, attribuendogli in modo univoco e chiaro un nome preciso ed una formula, attraverso l'impiego del minor numero possibile di parole.

Le prime basi di questo lavoro vennero gettate alla fine del '700 dal chimico francese A. L. Lavoisier (1743 - 1794), il quale nel suo Traité élémentaire de chimie, pose le basi per quella che viene tuttora chiamata nomenclatura tradizionale. A partire dagli anni '70 del '900 a tale nomenclatura se ne affianca un'altra, chiamata nomenclatura ufficiale, elaborata dalla IUPAC (sigla derivante dalle iniziali dell'International Union of Pure and Applied Chemistry, l'organismo scientifico internazionale preposto alla definizione della nomenclatura chimica), il cui uso sta lentamente soppiantando quello della nomenclatura tradizionale. È tuttavia importante ricordare che le regole della nomenclatura, affidate a Commissioni permanenti nell'ambito della IUPAC, sono in continua evoluzione e seguono di pari passo lo sviluppo stesso della chimica.

Le principali classi di composti

In questo capitolo esamineremo quindi le regole per assegnare i nomi ad alcune delle principali classi di composti, di cui analizzeremo inoltre le caratteristiche più importanti. Ricordiamo che i composti chimici sono sostanze costituite da due o più atomi di elementi differenti legati tra loro; se gli atomi appartengono a due diversi elementi i composti si dicono binari, se gli atomi appartengono invece a tre elementi diversi i composti si dicono ternari.

Per ricordare le caratteristiche e le proprietà delle sostanze che adesso descriveremo, basterà osservare quali atomi o gruppi di atomi sono presenti al loro interno e quali sono le reazioni caratteristiche di ciascun gruppo di sostanze a cui essi appartengono.

Il numero di ossidazione

Tuttavia, prima di entrare nel merito di questi problemi, dobbiamo introdurre un nuovo concetto che ci sarà di fondamentale aiuto, sia in questa parte del programma, che in quella finale, relativa all'elettrochimica.

Il numero di ossidazione: è una carica positiva o negativa che viene attribuita formalmente a ciascun elemento in un composto; detta carica è determinata dal numero di elettroni che l'elemento possiede in più (carica negativa) o in meno (carica positiva) rispetto all'atomo neutro, quando gli elettroni di legame vengono attribuiti all'elemento più elettronegativo del composto stesso.

Dalla prima lettura di questa definizione, il numero di ossidazione potrà sembrare un'entità di difficile comprensione oppure del tutto astrusa, andando avanti vedremo invece che esso è uno strumento indispensabile per orientarsi nel mondo delle ossidoriduzioni. Queste reazioni, a loro volta, sono importantissime, non tanto perché hanno contribuito in modo determinante a diffondere tra gli studenti l'idea che la chimica fosse "difficile", quanto perché la stragrande maggioranza dell'energia prodotta dall'uomo sulla Terra deriva da reazioni di questo tipo, mentre anche altri importantissimi fenomeni chimici, come ad esempio la corrosione dei metalli, derivano da processi ossidoriduttivi.

La definizione del numero di ossidazione sopra riportata diventerà nei prossimi paragrafi talmente utile, che è consigliabile impararla a memoria; inoltre, prima di poter specificare meglio il significato e l'utilità del numero di ossidazione stesso, è opportuno imparare le regole per il suo calcolo. Tuttavia dobbiamo specificare che il numero di ossidazione non è una carica vera e propria, bensì una carica "fittizia", che viene "attribuita" ad ogni elemento di un qualsiasi composto, quando gli elettroni di legame sono assegnati all'elemento più elettronegativo presente nel composto medesimo. Tutti gli elementi di qualsiasi composto hanno quindi un numero di ossidazione; in ogni composto si deve innanzitutto stabilire quale elemento è più elettronegativo, ad esso si attribuiscono tutti gli elettroni dei legami che esso forma con altri atomi ed infine si vede quali cariche gli atomi assumono dopo questa attribuzione fittizia. In ogni caso, se si impara ad applicare le regole sotto riportate, il calcolo del numero di ossidazione diventa una procedura piuttosto semplice.

Regole per il calcolo del numero di ossidazione

• Tutte le sostanze allo stato elementare hanno numero di ossidazione zero. In tal caso infatti tutti gli atomi sono identici tra loro e non esiste dunque nessun elemento più elettronegativo degli altri cui attribuire gli elettroni di legame.
• Negli ioni monoatomici gli elementi hanno numero di ossidazione uguale alla carica ionica. Ad esempio lo ione Ca²⁺ ha numero di ossidazione +2, mentre lo ione Cl^- ha numero di ossidazione –1.
• Alcuni elementi mantengono costante il loro numero di ossidazione in tutti i composti che formano, mentre altri lo variano da un composto all'altro. In generale i numeri di ossidazione seguono il seguente schema:
  • L'idrogeno ha sempre +1 oppure –1;
  • I metalli hanno solo numeri di ossidazione positivi;
  • I non metalli possono avere numeri di ossidazione positivi o negativi;
  • Tranne alcune eccezioni gli elementi di gruppi pari hanno solo numeri di ossidazione pari, mentre quelli dei gruppi dispari hanno solo numeri di ossidazione dispari;
  • Per tutti gli elementi, tra i numeri di ossidazione positivi il più alto corrisponde al numero del gruppo cui l'elemento appartiene. Per quanto detto alla lettera precedente, gli altri numeri di ossidazione si ottengono riducendo di 2, 4 o 6 unità il numero di ossidazione più alto.

Per quanto detto finora risulta che:

• Gli elementi del primo gruppo hanno sempre +1;
• Gli elementi del secondo gruppo hanno sempre +2;
• Gli elementi del terzo gruppo hanno sempre +3;
• Nel quarto gruppo il carbonio ha –4, +4 e +2; il silicio –4 e +4; stagno e piombo +4 e +2;
• Nel quinto gruppo l'azoto ha –3, +1, +2, +3, +4 e +5; il fosforo –3, +3 e +5; l'antimonio +3 e +5;
• Nel sesto gruppo l'ossigeno ha praticamente sempre –2, lo zolfo ha –2, +4 e +6;
• Nel settimo gruppo il fluoro ha sempre –1; gli altri elementi hanno –1, +1, +3, +5 e +7;
• Per i metalli di transizione non esistono regole così chiare.

• La somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi di tutti gli elementi presenti in un composto è uguale a zero, se il composto è neutro, oppure è uguale alla carica ionica, se il composto è uno ione poliatomico.
• In ogni composto l'elemento più elettronegativo di tutti ha sempre numero di ossidazione negativo, mentre tutti gli altri elementi hanno numero di ossidazione positivo.

Esempi di calcolo del numero di ossidazione

Cl₂O: l'elemento più elettronegativo è l'ossigeno che ha sempre numero di ossidazione –2; il cloro deve avere invece numero di ossidazione positivo e la somma algebrica dei numeri di ossidazione dei tre atomi deve essere uguale a zero, essendo il composto neutro. Applicando questi presupposti scriviamo un'equazione considerando come incognita il numero di ossidazione del cloro: 2x (Cl) – 2 (O) = 0, risolvendo si trova che X (numero di ossidazione del cloro) è +1.

HCl: l'elemento più elettronegativo è il cloro, che quindi deve avere numero di ossidazione negativo, questo non può essere inoltre che –1. Poiché il composto è neutro, la somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi del composto deve essere zero. L'idrogeno ha pertanto numero di ossidazione +1.

H₂SO₄: l'elemento più elettronegativo è l'ossigeno, il cui numero di ossidazione è –2. Zolfo e idrogeno devono quindi avere numeri di ossidazione positivi e per l'idrogeno il numero di ossidazione non può che essere +1. Resta da determinare il numero di ossidazione dello zolfo, che si ottiene risolvendo la seguente equazione: +2x1 (H) + X (S) – 4x2 (O) = 0 risolvendo si trova che X=6.

CO₃^2-: l'elemento più elettronegativo è l'ossigeno, il cui numero di ossidazione è –2. Il composto è un anione bivalente e pertanto la somma algebrica dei numeri di ossidazione deve essere pari a –2; risolviamo quindi la solita equazione, assegnando l'incognita al numero di ossidazione del carbonio: X (C) – 3x2 (O) = -2. Risolvendo troviamo che X = 4.

Regole per la scrittura delle formule dei composti binari

Una volta noto il numero di ossidazione degli elementi che formano un composto binario non è difficile scriverne la formula, basta ricordare che la somma dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi di un elemento deve essere uguale, in valore assoluto, alla somma dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi dell'altro elemento.

Esempi

• Trovare la formula del composto che si forma tra ossigeno e potassio. Si scrivono l'uno accanto all'altro i simboli dei due elementi, avendo cura di scrivere per primo quello meno elettronegativo, si scrive poi sopra ognuno di essi il rispettivo numero di ossidazione. Poiché il potassio ha numero di ossidazione +1 e l'ossigeno -2, per pareggiare la somma dei numeri di ossidazione sono necessari due atomi di potassio ed uno di ossigeno. La formula del composto sarà allora K₂O.
• Trovare la formula del composto che si forma tra calcio e ossigeno. Si ripetono innanzitutto i passaggi iniziali. Poiché i due atomi hanno numero di ossidazione, rispettivamente, +2 e -2, per pareggiare la somma dei numeri di ossidazione bastano un atomo di calcio ed uno di ossigeno: la formula del composto sarà dunque CaO.
• Trovare la formula del composto che si forma tra alluminio ed ossigeno. Poiché l'alluminio ha numero di ossidazione +3, mentre l'ossigeno ha numero di ossidazione -2, per bilanciare la somma dei numeri di ossidazione sono necessari due atomi di alluminio e tre di ossigeno: la formula del composto sarà allora Al₂O₃.

La regola di Zaza

In alcuni casi gli studenti più furbini usano semplificare le cose, ricavando il deponente di ogni elemento dal valore assoluto del numero di ossidazione dell'elemento che gli sta accanto. In pratica si incrociano gli indici ed i numeri di ossidazione, scrivendo a destra del primo elemento valore assoluto del numero di ossidazione del secondo e viceversa. Tale sistemino è ammesso, ricordando però che:

• L'indice 1 non si indica mai;
• Gli indici, tranne che in alcune formule molecolari, debbono essere ridotti ai minimi termini.

Così, ad esempio, applicando la regola di Zaza al composto che si forma tra calcio ed ossigeno, che hanno, rispettivamente, numero di ossidazione +2 e -2, si otterrebbe la formula Ca₂O₂, mentre la formula corretta è CaO.

Nomenclatura dei composti chimici

Le formule chimiche hanno valore universale, nel senso che sono le stesse in ogni parte del mondo. Per quanto riguarda invece i nomi dei composti esistono ancora delle discrepanze, dovute all'uso dei due diversi sistemi di nomenclatura già citati. Il primo, denominato nomenclatura tradizionale, prevede l'uso di prefissi e suffissi, in base al numero di ossidazione dei vari elementi. Il secondo sistema, denominato nomenclatura ufficiale o nomenclatura IUPAC, si basa sul numero di atomi di ogni elemento presenti all'interno del composto, che sono evidenziati tramite prefissi di origine greca indicati nella tabella a fianco. Quando è presente un solo atomo di un elemento non si utilizza alcun prefisso. Inoltre, quando un elemento ha più di un numero di ossidazione, la nomenclatura IUPAC prevede che questo venga specificato.