Chimica

Chimica dispense prof capitolo 1a

Numero di ossidazione

Si definisce numero di ossidazione o stato di ossidazione la carica che l'elemento (l'atomo) acquista, che sia essa reale o formale, quando si assegnano gli elettroni di legame all'atomo più elettronegativo. La carica è reale nei composti ionici e in questo caso coincide con il numero di cariche portate dallo ione. La carica è formale nei composti covalenti, cioè composti formati da molecole individuali di uno o più metalli. Ogni elemento chimico può presentare uno o più numeri di ossidazione.

Regole per attribuire un numero di ossidazione

• Il numero di ossidazione delle sostanze elementari è sempre 0, in quanto ci troviamo di fronte ad atomi dello stesso elemento che quindi hanno la stessa elettronegatività. Quando in una molecola si uniscono in un legame covalente due atomi dello stesso elemento, gli elettroni di legame non vanno attribuiti a nessuno dei due.
• Il numero di ossidazione di uno ione è pari alla sua carica.
• L'idrogeno ha numero di ossidazione +1 sempre, tranne nel caso in cui si lega con metalli più elettropositivi (idruri) in cui ha numero di ossidazione -1.
• Il fluoro è l'elemento più elettronegativo della tavola periodica e ha bisogno di un solo elettrone per raggiungere l'ottetto. Ha perciò sempre numero di ossidazione -1.
• L'ossigeno ha sempre numero di ossidazione -2, tranne quando forma un legame covalente con se stesso, nel tal caso ha numero di ossidazione -1.
• Gli altri elementi del gruppo 7 hanno tutti numero di ossidazione -1, tranne nel caso in cui si legano ad atomi più elettronegativi e assumono numero di ossidazione positivo.
• In generale, il numero di ossidazione di un elemento corrisponde al numero d'ordine del gruppo in cui appartiene (quello più alto tecnicamente, però non gruppo 13 o sti numeri grandi, ma quelli dei numeri romani).
• In una specie chimica neutra, la somma di tutti i numeri di ossidazione deve essere nulla.
• In uno ione poliatomico, la somma dei numeri di ossidazione deve essere pari alla carica totale dello ione.

A seconda della natura degli atomi che compongono i composti essi vengono divisi in classi o gruppi e sottogruppi: idruri, idrossidi, ossidi, perossidi, acidi, sali binari, sali ternari, sali acidi. Lo scopo della nomenclatura è quello di attribuire un nome unico ai composti che si prevede avranno un determinato comportamento, dividendo così il tutto in famiglie e sottogruppi. Nella dizione italiana della nomenclatura si nomina prima il non metallo seguito dalla parola "di" e poi il metallo.

Anioni

Gli anioni sono specie monoatomiche o poliatomiche aventi carica complessiva negativa che viene indicata mediante un numero o per mezzo del numero di ossidazione dell'atomo centrale. I composti binari sono formati da soli due elementi chimici e solitamente si scrivono ponendo prima l'elemento meno elettronegativo. La molecola è neutra.

Idruri

Gli idruri sono composti che l'idrogeno forma con gli elementi meno elettronegativi di se stesso e in essi l'idrogeno ha numero di ossidazione -1. Nella formula, l'idrogeno va per secondo, prima viene posto l'altro elemento. In assenza di indicazioni, l'elemento esibirà il suo normale numero di legami con l'idrogeno; se questo non avviene, si riporta il numero di legami creati come esponente della lettera lambda che poi viene chiamata con il nome dell'idruro che segue dopo di essa separato da un trattino (ad esempio se ho l'idruro fosfano PH₅ che forma 5 legami metto λ-fosfano).

Idracidi

Gli idracidi sono composti che l'idrogeno forma con gli atomi più elettronegativi e in cui ha numero di ossidazione +1. Nella formula va scritto per primo. I principali idracidi prendono vita dall'unione dell'idrogeno con i non metalli del gruppo 7a e 6a.

Ossidi

Gli ossidi sono composti tra che legano un metallo a un ossigeno. Nella formula, l'ossigeno viene posto per secondo.

Idrossidi

Gli idrossidi si formano aggiungendo ad un ossido una o più molecole di acqua.

Ossiacidi

Si chiamano ossiacidi i composti che derivano dall'unione di idrogeno, ossigeno e un terzo elemento che generalmente è un non metallo. In poche parole li ottengo quando sommo una anidride a una o più molecole di acqua.

Sali

I sali degli ossiacidi si ottengono sottraendo agli ossiacidi uno o più ioni idrogeno H e sostituendoli con dei cationi.

Complessi

Un complesso è un composto chimico in cui un atomo che generalmente è un metallo lega un numero di altre specie chimiche dette leganti o ligandi superiore al suo numero di ossidazione. Esso può risultare neutro o elettricamente carico (in questo caso si chiama ione complesso) e in questo caso la sua carica è data dalla somma delle cariche del metallo e dei ligandi. In generale l'atomo centrale (il metallo) è un catione di un metallo di transizione. I leganti possono formare uno o più legami con l'atomo centrale e nel secondo caso si dicono agenti chelanti. A seconda del tipo di legame che un ligando forma con l'atomo centrale esso verrà denominato monodentato, bidentato o in generale polidentato (l'acqua ad esempio forma un solo legame con l'atomo centrale). I ligandi polidentati possono formare legami anche con più di uno ione metallico dando vita a un complesso con più ioni metallici che viene denominato complesso polimetallico. Nel caso in cui sia il metallo stesso a formare un legame con un altro metallo allora si parla di complesso a cluster. Ci sono diverse possibilità di posizione dei ligandi intorno al metallo e quindi sono possibili diversi isomeri.

La formula del complesso deve essere racchiusa tra parentesi quadre scrivendo prima l'atomo centrale. Nel nome del complesso vengono invece indicati prima i leganti e poi l'atomo centrale, cioè il metallo. Le regole da seguire sono le seguenti:

• I nomi dei ligandi vanno messi in ordine alfabetico.
• I ligandi monodentati che appaiono una o più volte ricevono un prefisso secondo il numero di ricorrenza.
• I ligandi polidentati o che contengono già un prefisso numerico nel nome o hanno un nome più lungo di 5 o 6 lettere verranno scritti nel modo seguente: il nome va tra parentesi e verrà preceduto dal prefisso che ne indica la ricorrenza.
• I leganti che terminano in -ato, -ile, -ito mantengono la desinenza, quelli che terminano in -uro cambiano la desinenza in -o.
• I ligandi neutri mantengono inalterato il loro nome tranne alcune eccezioni.
• Si scrive il nome dell'atomo centrale.
• Se il complesso è neutro o uno ione positivo, il nome del metallo rimane inalterato.
• Se il complesso è uno ione negativo, il metallo prende il suffisso -ato.
• Se il metallo ha più di un numero di ossidazione, quello preso nel caso viene posto tra parentesi alla fine in numeri romani.

Capitolo 1b

Nomenclatura

Esistono tre principali tipi di nomenclatura:

• Nomenclatura tradizionale: si basa sulla distinzione degli elementi in metalli e non metalli.
• Nomenclatura Stock: mette in evidenza il numero di ossidazione degli elementi, ma non il numero di atomi.
• Nomenclatura I.U.P.A.C.: mette in evidenza il numero di atomi. Essa prende in considerazione altri tre principali sistemi di nomenclatura chimica:
  • Sistema compositivo: che definisce delle raccomandazioni per la costruzione dei nomi dei composti basandosi sulla composizione stechiometrica delle sostanze.
  • Sistema sostitutivo: usato per estensione anche per i composti organici ed è basato sul fatto che la specie in oggetto sia derivabile dal corrispondente idruro.
  • Sistema additivo: deriva il nome di un composto considerandolo come costituito da un atomo centrale e un determinato numero di ligandi.

I diversi sistemi di nomenclatura possono attribuire ad uno stesso composto nomi diversi ma non ambigui. La scelta del sistema di nomenclatura si basa sulla classe di appartenenza della specie chimica in esame. Per gli elementi con numero atomico maggiore di 112, ho un sistema di nomenclatura temporaneo basato su un insieme di lettere che deriva direttamente dal numero atomico:

• 0 = nil
• 1 = un
• 2 = bi
• 3 = tri
• 4 = quad
• 5 = pent
• 6 = hex
• 7 = sept
• 8 = oct
• 9 = enn

Le radici sono sistemate in successione seguendo il numero atomico e terminando con il suffisso "ium" (ad esempio 113 ununtrium).

La valenza di un composto rappresenta il numero di elettroni ceduti, acquistati o messi in comune nel composto considerato. Il numero di ossidazione di un elemento consiste nella carica elettrica formale che l'elemento assume nei composti se si pensa di associare gli elettroni di ciascun legame all'atomo considerato più elettronegativo. I numeri di ossidazione possono essere sia positivi che negativi e in una molecola la somma dei numeri di ossidazione dei vari elementi è nulla, mentre in uno ione questa è diversa da 0 e uguale alla carica dello ione stesso.

Come determinarlo

• Il numero di ossidazione di una specie elementare è nullo.
• Nel calcolo del numero di ossidazione non si tiene conto dei legami tra uno stesso elemento.
• Il numero di ossidazione di un anione o un catione è pari alla sua carica.
• L'ossigeno ha sempre numero di ossidazione pari a -2, tranne nei perossidi (numero di ossidazione -1) e nei superossidi (numero di ossidazione ½).
• Il fluoro ha sempre numero di ossidazione -1.
• Il cloro ha sempre numero di ossidazione -1, tranne quando si lega con ossigeno e fluoro.
• Il bromo ha sempre numero di ossidazione -1, tranne quando si lega con ossigeno, fluoro e cloro (assume numeri positivi in questo caso).
• I metalli hanno sempre numero di ossidazione positivo. I metalli alcalini (gli elementi del gruppo 1a, escluso l'idrogeno) hanno numero di ossidazione +1, i metalli alcalino-terrosi (gli elementi del gruppo 3a), zinco e cadmio hanno numero di ossidazione +2, boro e alluminio hanno numero di ossidazione pari a +3.
• In una molecola, la somma dei numeri di ossidazione dei vari atomi è zero.
• In uno ione, che sia positivo o negativo, la somma algebrica dei numeri di ossidazione deve essere uguale alla carica dello ione stesso.

Gli elementi appartenenti a uno stesso gruppo della tavola periodica hanno generalmente la stessa carica ionica. Gli atomi dei gruppi 1a, 2a e 3a hanno numero di ossidazione positivo e pari al numero del gruppo a cui appartengono, quindi rispettivamente +1, +2 e +3 perché nel legame essi cedono elettroni e quindi diventano a eccesso di cariche positive. Gli atomi dei gruppi 4a, 5a, 6a, 7a e 8a nei legami prendono elettroni e quindi diventano a eccesso di cariche negative e hanno numeri di ossidazione diversi alcuni, ma il più piccolo (quello più negativo) può essere ottenuto sottraendo 8 al numero del rispettivo gruppo di appartenenza, quindi il gruppo 4a avrà numero di ossidazione minimo pari a -4, il gruppo 5a pari a -3, il gruppo 6a pari a -2, il gruppo 7a pari a -1 e il gruppo 8a pari a 0.

Gli elementi chimici sia in base alle loro proprietà fisiche, sia in base al loro comportamento chimico si dividono in metalli, non metalli e anfoteri; questi ultimi sono caratterizzati dall'avere un comportamento metallico per alcuni numeri di ossidazione e non metallico per altri.

Formule chimiche

Le formule chimiche rappresentano il numero e il tipo di elementi per unità di sostanza. Ne esistono 3 tipi: empirica, molecolare e strutturale.

• La formula empirica indica il numero relativo di atomi presenti nel composto preso in esame. È un metodo derivato dalle masse degli elementi (per esempio il perossido di idrogeno HO viene indicato con il rapporto 1:1 tra il numero di atomi di idrogeno e ossigeno).
• La formula molecolare è un numero reale di atomi di ciascun elemento presente in ogni singola molecola. Le formule molecolari possono essere multipli delle formule empiriche.
• La formula di struttura specifica oltre il numero di atomi anche il tipo di legami che li legano. Rappresenta la disposizione relativa degli atomi nella molecola, da cioè indicazioni spaziali.

Nella formula dei composti inorganici prima va riportato l'atomo meno elettronegativo. Se un elemento presenta molecole discrete, cioè posso isolarne una e prenderla singolarmente, allora esso dovrà essere designato con la formula molecolare.

Ossidi

Gli ossidi sono composti binari che legano un metallo all'ossigeno e sono chiamati ossidi basici.

Idrossidi

Gli idrossidi sono composti binari che legano un ossido a una o più molecole di acqua. Nella IUPAC il termine idrossido viene preceduto da un opportuno prefisso moltiplicativo. La formula viene scritta ponendo prima il metallo e poi, tra parentesi, il gruppo OH e a pedice della parentesi di chiusura viene posto un numero pari al numero di ossidazione del metallo.

Anidridi

Le anidridi sono composti che si ottengono legando un non metallo con l'ossigeno. Questi composti vengono anche chiamati ossidi acidi.

Ossiacidi

Gli ossiacidi sono composti che si ottengono unendo un'anidride con una o più molecole di acqua. Per distinguere i diversi stati di ossidazione si usano i prefissi -ico e -oso e se ho più di due numeri di ossidazione si usano anche i prefissi ipo- e per-.

Composti binari tra due non metalli

Se ho un composto binario tra due non metalli deve essere posto per primo quello che viene prima nella seguente serie: Rn, Xe, Kr, B, Si, C, Sb, As, P, N, H, Te, Se, S, At, I, Br, Cl, O, F. Il nome del costituente più elettropositivo, che va posto per primo, non subisce variazioni, mentre il secondo se è monoatomico prende il suffisso -uro, tranne l'ossigeno che non diventa ossigenuro, ma ossido.

Idruri volatili

Gli idruri volatili, tranne quelli del gruppo 7, dell'ossigeno e dell'azoto, prendono il suffisso -ano. Nella nomenclatura tradizionale il nome si scriverà ponendo "idruro di" seguito dal nome dell'elemento che si lega all'idrogeno, mentre nella IUPAC utilizzo sempre il termine idruro ma con opportuni termini moltiplicativi.

Composti covalenti binari

Gli ossidi formati dai non metalli e gli ossidi acidi vengono anche chiamati composti covalenti binari. Questi in genere hanno un nome sistematico che segue queste regole:

• L'elemento con il numero di gruppo più piccolo viene scritto per primo ma letto per secondo preceduto da "di".
• Se entrambi hanno lo stesso gruppo, si scrive prima quello con periodo superiore, ma come prima si legge per secondo.
• L'elemento con il gruppo superiore che viene scritto per secondo prende il suffisso -uro e viene letto per primo.
• I composti covalenti usano i prefissi greci per indicare il numero di atomi di ciascun elemento presenti nel composto.

Acidi

Gli alogeni e lo zolfo nei loro numeri di ossidazione negativi formano composti binari con l'idrogeno acidi e i loro nomi si formano ponendo il suffisso -idrico e anteponendo la parola acido (se voglio posso anche scriverlo mettendo prima la parola che prende il suffisso -idrico, ma con il suffisso -uro, poi "di" e idrogeno. Ad esempio HF posso chiamarlo come fluoruro di idrogeno o acido fluoridrico).

Radicali acidi

Vengono chiamati radicali acidi ciò che resta quando ad un acido vengono sottratti gli atomi di idrogeno. Per ogni atomo di idrogeno sottratto si aggiunge una carica negativa e il numero totale di queste cariche aggiunte è la valenza del composto stesso.

Anioni

Il nome degli anioni si ottiene ponendo il suffisso -uro sul nome dell'elemento considerato (sono quelli che hanno carica negativa) (va fatta eccezione per l'ossigeno che prende il nome di ossido). Gli anioni contenenti più di un elemento prendono il suffisso -ato (in casi rari il suffisso -ito e di solito questo succede quando l'atomo centrale ha numero di ossidazione inferiore all'altro).

Radicali

Parlando di radicali ho che questi sono sempre considerati la parte positiva del composto: COCl₂, PSCl₃, SO₂, NH₃.

Sali

Composto derivato da un metallo (idrossido, ossido basico o il metallo stesso) + composti derivati da un non metallo (anidride, acido o lo stesso non metallo) = sale. Il nome del sale si ottiene unendo al nome del radicale acido, completo di suffissi e prefissi, il nome dello ione positivo munito di suffisso -oso o -ico a seconda del numero di ossidazione. La formula del sale si scrive ponendo per primo il metallo (o comunque lo ione positivo che comunque di solito è il metallo) seguito dalla formula del radicale acido. Al primo si dà la valenza del secondo e viceversa.

I sali acidi sono composti ottenuti dagli acidi per parziale perdita degli ioni idrogeno H e vengono chiamati ione e subito dopo il nome dell'elemento preceduto dal prefisso idrogeno- e con i suffissi -ato o -ito a seconda del numero di ossidazione.

Perossocomposti

I perossocomposti sono composti in cui un atomo di ossigeno è sostituito da un gruppo chiamato gruppo perosso e vengono chiamati ponendo il prefisso per- o perosso- seguito dal resto che sia un ossido o qualsiasi altra cosa.

Tiocomposti

I tiocomposti sono composti in cui uno o più atomi di ossigeno vengono sostituiti con uno o più atomi di zolfo e vengono designati con il prefisso tio- seguito da quello che compone il composto considerato.

Complessi

Un complesso è un composto in cui l'atomo centrale è un metallo che lega intorno a sé ioni o molecole secondo geometrie ben definite e in numero superiore al proprio numero di ossidazione. Le molecole e gli ioni che si uniscono al metallo vengono chiamati ligandi (sono molto complessi in quanto implicano orbitali d e f).

Per questi composti si definiscono:

• Numero di coordinazione: numero d