8.1 La nomenclatura dei composti molecolari segue un sistema 8.2 Anche la nomenclatura dei composti ionici segue un sistema 8.3 La classificazione dei

8.1 La nomenclatura dei composti molecolari segue un sistema 8.2 Anche la nomenclatura dei composti ionici segue un sistema8.3 La classificazione dei composti chimici

Capitolo 8

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Classificazione enomenclatura deicomposti chimici

The In 1757, Karl von Linnè proposed a binomialnomenclature for plants which includes names made by two parts, the first one for the Genus and the second one for the Species. Since then the same system has been employed for naming other living beings and it is still used by modern biologists..

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8.1 LA NOMENCLATURA DEI COMPOSTI MOLECOLARI SEGUE UN SISTEMA

L’attribuzione di un nome a ogni sostanza chimica, sia elemento sia composto, è una procedura molto importante perché permette di distinguere, di classificare e quindi di sistematizzare l’innumerevole quantità di sostanze diverse che nel corso della storia della chimica sono state scoperte o sintetizzate in laboratorio. Anche nel caso della nomenclatura, come in altri già visti (per esempio il Sistema Internazionale delle unità di misura), occorrono delle convenzioni internazionali che permettano agli scienziati di comunicare tra loro senza ambiguità, usando simbologie e terminologie semplici e facilmente memorizzabili.

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L’ente che sovrintende a queste regole è la IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry, che periodicamente, attraverso convegni internazionali, stabilisce e aggiorna le convenzioni alla luce delle nuove scoperte. A ogni composto chimico viene quindi collegata in modo immediato e univoco la sua formula.

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Per un composto molecolare binario dobbiamo indicare gli elementi e il numero degli atomi presenti in una molecola della sostanza.Al primo elemento che compare nella formula viene semplicemente assegnato il proprio nome. Nel caso di HCl, pertanto, il primo elemento è idrogeno, mentre per PCl5 è fosforo. Per il secondo elemento della formula, la radice del nome è seguita dal suffisso -uro (l’ossigeno è una eccezione: il suffisso in questo caso è -ido).

I composti binari sono composti formati da due elementi diversi..

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Nello schema che segue sono riportati alcuni esempi.

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L’assegnazione del nome completo di un composto prevede di utilizzare i nomi dei due elementi uno dopo l’altro, avendo l’accortezza di invertirne l’ordine. Il secondo elemento che compare nella formula (quello con il suffisso -uro) è il primo a essere denominato ed è seguito dal nome del primo elemento, preceduto dalla preposizione di.

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Il nome di PCl5, invece, deve anche specificare il numero di atomi di cloro legati all’atomo di fosforo. Quando in un composto sono presenti più atomi di un elemento, utilizziamo alcuni prefissi di origine greca:

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Il nome di PCl5 contiene pertanto il prefisso penta- davanti a cloruro: pentacloruro di fosforo.

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Notiamo quanto sia semplice risalire dal nome del composto alla formula.Utilizziamo il prefisso mono- quando vogliamo evidenziare la presenza di un solo atomo di un certo elemento in un composto; per esempio, CO e CO2 sono, rispettivamente, monossido di carbonio e diossido di carbonio (o biossido di carbonio).

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► L’IDROGENO FORMA COMPOSTI CON MOLTI NON-METALLI

I composti formati dai vari elementi con l’idrogeno sono chiamati idruri. Questi composti ci consentono di capire come si utilizza la tavola periodica per ricordare meglio certe informazioni.Osserviamo che il numero di atomi di idrogeno combinati con l’atomo del non metallo è sempre uguale al numero di caselle che contiamo spostandoci verso destra per raggiungere i gas nobili.

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Nella tabella di sotto notiamo anche che le formule degli idruri sono simili per i non-metalli che appartengono a uno stesso gruppo della tavola periodica. Nota la formula dell’idruro del primo elemento del gruppo, conosciamo anche le formule degli idruri di tutti gli altri elementi dello stesso gruppo.

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Il motivo di questo comportamento deriva dagli elettroni di valenza del non-metallo legato all’idrogeno. Come sappiamo, gli elementi di uno stesso gruppo hanno lo stesso numero di elettroni di valenza, pertanto si potranno legare con lo stesso numero di atomi di idrogeno, da cui deriva lo stesso tipo di formula dell’idruro.Molte sostanze, scoperte prima che fosse sviluppato il metodo sistematico per la loro denominazione, hanno nomi comuni che ancora oggi sono ampiamente adoperati.

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Per esempio, secondo lo schema descritto in precedenza, H2O dovrebbe chiamarsi ossido di idrogeno (o addirittura monossido di diidrogeno), ma il nome corrente «acqua» è così diffuso da essere rimasto nell’uso. Un altro esempio è rappresentato dall’ammoniaca, NH3 (triidruro di azoto), una sostanza dall’inconfondibile odore utilizzata, in soluzione,come sgrassante e lucidante. Anche gli idruri degli altri non-metalli del Gruppo VA hanno un nome corrente: i composti PH3, triidruro di fosforo, e AsH3, triidruro di arsenico, sono chiamati, rispettivamente, fosfina e arsina.Un’eccezione alla regola dei prefissi è rappresentata dai composti binari dell’idrogeno con i non-metalli: H2S è il solfuro di idrogeno.

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► FORMULE DEI COMPOSTI IONICI DERIVANO DAL BILANCIAMENTO DELLE CARICHE ELETTRICHE

Per esempio La tavola può essere convenientemente utilizzata anche per ricordare gli ioni formati da molti elementi rappresentativi (gli elementi dei Gruppi A della tavola periodica). Per esempio, gli atomi neutri degli elementi del Gruppo IA, fatta eccezione per l’idrogeno, quando reagiscono perdono sempre un elettrone, trasformandosi in ioni con carica 1+. Allo stesso modo, gli elementi del Gruppo IIA perdono sempre due elettroni e generano ioni di carica 2+.Nel Gruppo IIIA, l’unico ione positivo che dobbiamo considerare per la sua importanza è quello derivato dall’alluminio, Al3+: un atomo di alluminio, quando reagisce, perde tre elettroni.

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Osserviamo che il numero di cariche positive di ogni catione è pari al numero del gruppo Il sodio, del Gruppo IA, forma quindi un catione con carica 1+; il bario (Ba) appartiene al Gruppo IIA e forma uno ione con carica 2+; l’alluminio, del Gruppo IIIA, forma uno ione con carica 3+.Sebbene questo principio non valga per tutti gli elementi metallici (per esempio, non si applica ai metalli di transizione), ci aiuta a ricordare il comportamento degli elementi dei Gruppi IA, IIA e dell’alluminio durante le reazioni.

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Anche per i non-metalli della parte destra della tavola periodica esistono alcune utili regole di validità generale. Quando gli alogeni (Gruppo VIIA) si combinano con i metalli, per esempio, formano ioni con carica 1-, mentre i non-metalli del Gruppo VIA formano ioni con carica 2-.Notiamo che il numero di cariche negative di un anione è pari al numero di spostamenti da compiere verso destra nella tavola periodica per raggiungere il gruppo dei gas nobili.

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Possiamo anche osservare che il numero di cariche negative di un anione è pari al numero di atomi di idrogeno presenti nell’idruro non-metallico dell’elemento.Dobbiamo ricordare, inoltre, che tutti i composti chimici sono elettricamente neutri; gli ioni di carica opposta in un composto ionico devono pertanto essere sempre in un rapporto tale da determinare uguali quantità di cariche positive e negative.Questo spiega perché la formula del cloruro di sodio sia NaCl; il rapporto 1 a 1 tra Na+ e Cl- garantisce la neutralità complessiva del composto.

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► REGOLE PER SCRIVERE LE FORMULE DEI COMPOSTI IONICI BINARI

1.Lo ione positivo va sempre scritto per primo nella formula. (Questa non è una necessità dettata dalla natura, ma semplicemente una convenzione.)2.Gli indici della formula permettono di ottenere un’unità formula elettricamente neutra. (La natura richiede la neutralità della carica)3.Gli indici devono essere numeri interi più piccoli possibile.4.Le cariche degli ioni non sono indicate nella formula della sostanza.

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► REGOLE PER SCRIVERE LE FORMULE DEI COMPOSTI IONICI BINARI

Esiste anche un altro semplice sistema per ottenere le formule dei composti. Si tratta di utilizzare la carica di ciascuno ione come indice dell’altro. Per esempio, per gli ioni Al3+ e O2- scriviamo quanto segue per ottenere la formula Al2O3:

Seguire questo sistema, tuttavia, può portare all’errore se non si pone la giusta attenzione. Nel cercare, per esempio, il composto formato dagli ioni Ba2+ e S2-, arriveremmo a scrivere la formula Ba2S2. Sappiamo, però, che per convenzione si deve sempre scegliere il più piccolo rapporto intero tra gli ioni (regola 3). Sarà quindi necessario correggere la formula semplificando gli indici, fino a ottenere BaS.

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► I METALLI DI TRANSIZIONE E DI POST-TRANSIZIONE FORMANO PIÙ CATIONI

Quasi tutti i metalli di transizione sono assai meno reattivi rispetto ai metalli dei Gruppi IA e IIA; quando reagiscono, tuttavia, cedono anch’essi elettroni agli atomi di nonmetalli per formare composti ionici. A differenza dei metalli alcalini o alcalino-terrosi, le cariche degli ioni dei metalli di transizione non sono facilmente prevedibili. Una dellecaratteristiche principali di tali elementi è la loro capacità di formare più di uno ione positivo.

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Il ferro, per esempio, può generare due ioni diversi, Fe2+ e Fe3+. Ciò significa che può formare più di un composto con un non-metallo: con lo ione cloruro, Cl-, il ferro dà origine a due composti, le cui formule sono FeCl2 e FeCl3, mentre con l’ossigeno si formano FeO e Fe2O3. Le formule indicano, come sempre, i rapporti tra ioni che determinanola neutralità complessiva dei composti.

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Osserviamo che uno degli ioni del mercurio è biatomico, Hg2

2+, essendo costituito da due ioni Hg+ uniti tra loro con lo stesso tipo di legame che troviamo nei composti molecolari. Il singolo ione Hg+, infatti, non esiste.I metalli di post-transizione sono quelli che nella tavola periodica seguono i metalli di transizione, immediatamente sulla destra. I due più noti e importanti sono lo stagno (Sn) e il piombo (Pb). I metalli di post-transizione sono diversi rispetto ai metalli alcalini o alcalino-terrosi.La principale differenza sta nella loro capacità di formare due ioni diversi e, quindi, due composti differenti con un dato non-metallo. Lo stagno, per esempio, forma due ossidi, SnO e SnO2; anche il piombo dà origine a due ossidi di formula simile, PbO e PbO2.

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► MOLTI COMPOSTI CONTENGONO IONI FORMATI DA PIÙ DI UN ELEMENTO

I composti abbiamo visto finora sono composti binari. Esistono però molti altri composti ionici che contengono più di due elementi. Queste sostanze sono costituite generalmente da ioni poliatomici.

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► MOLTI COMPOSTI CONTENGONO IONI FORMATI DA PIÙ DI UN ELEMENTO

I Gli ioni poliatomici si trovano in moltissime sostanze. Tra queste possiamo ricordare CaSO4 (solfato di calcio, presente nell’intonaco), NaHCO3 (bicarbonato di sodio, utilizzato in cucina come agente lievitante), NaOCl (ipoclorito di sodio, contenuto nella candeggina), NaNO2 (nitrito di sodio, un conservante della carne), MgSO4 (solfato di magnesio, noto anche come «sale inglese», un lassativo), NH4H2PO4 (diidrogenofosfato di ammonio, un fertilizzante).

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8.2 ANCHE LA NOMENCLATURA DEI COMPOSTI IONICI SEGUE UN SISTEMA

Nei composti ionici, il nome dell’anione precede quello del catione; all’anione derivato da un non-metallo, il nome viene assegnato aggiungendo il suffisso -uro alla radice del nome del non-metallo (-ido nel caso dell’ossigeno). Se il metallo presente nel composto dà soltanto un catione, come Na+ o Ca2+, quest’ultimo prende semplicemente il nome del metallo ed è preceduto dalla preposizione di.È importante sapere che il suffisso -uro è impiegato esclusivamente per gli ioni monoatomici, con la sola eccezione dello ione cianuro (CN-), biatomico.

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Molti metalli, in particolare quelli di transizione e post-transizione, possono formare più ioni con carica diversa.Il ferro, per esempio, forma gli ioni Fe2+ e Fe3+. I composti che contengono questi diversi ioni ferro hanno formula differente e quindi è necessario specificare quale ione ferro è presente.Il sistema attualmente preferito per assegnare il nome agli ioni dello stesso metallo aventi carica diversa è il sistema Stock. In pratica, il nome del metallo è fatto seguire, senza spazi, dal valore numerico della carica dello ione, scritto tra parentesi in numeriromani.

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È importante ricordare che il numero romano corrisponde alla carica positiva dello ione metallico; al contrario, non corrisponde necessariamente all’indice della formula. Per esempio, il rame forma due ossidi, uno con lo ione Cu+ e l’altro con lo ione Cu2+. Le loro formule sono, rispettivamente, Cu2O e CuO e i nomi:

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Il sistema di nomenclatura utilizzato può essere applicato con facilità anche ai composti ionici che contengono ioni poliatomici. Per esempio, Na2SO4 contiene lo ione solfato, SO4

2-, e prende il nome di solfato di sodio.

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Allo stesso modo, Cr(NO3)3 contiene lo ione nitrato, NO3 -. Il cromo è un elemento di transizione; in questo composto deve avere una carica 3+ per bilanciare le cariche negative di tre ioni NO3

-. Cr(NO3)3 prende quindi il nome di nitrato di cromo(III).

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I sali idrati sono, in genere, composti ionici i cui cristalli contengono un numero di molecole d’acqua in rapporto fisso. Il numero di molecole d’acqua è specificato per mezzo dei prefissi greci già studiati (mono-, di-, tri-, ecc.) che, in questo caso, precedono il termine idrato.Quindi, CuSO4 · 5H2O viene chiamato solfato di rame(II) pentaidrato , mentre CaSO4 · 2H2O è solfato di calcio diidrato e FeCl3 · 6H2O è cloruro di ferro(III) esaidrato.

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►UN SISTEMA ALTERNATIVO PER ASSEGNARE IL NOME AI COMPOSTI IONICI

Esiste tuttavia un sistema precedente che è ancora ampiamente utilizzato.Questo sistema prevede l’uso dei suffissi -oso per indicare lo ione con carica minore e -ico per lo ione di carica maggiore, a seguire la radice del nome dell’elemento, senza l’uso della preposizione di. Ecco alcuni esempi:

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►UN SISTEMA ALTERNATIVO PER ASSEGNARE IL NOME AI COMPOSTI IONICI

Si fa uso di questo sistema, per esempio, nelle etichette dei reagenti chimici e in letteratura scientifica, soprattutto quella meno recente. Un buon suggerimento è quello di impararli entrambi.

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►PER ASSEGNARE IL NOME A UN COMPOSTO DOBBIAMO SCEGLIERE QUALI REGOLE APPLICARE

Le regole da seguire per assegnare il nome a un composto sono leggermente diverse a seconda che abbiamo a che fare con molecole o con composti ionici.

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►I NUMERI DI OSSIDAZIONE SONO UTILI PER DETERMINARE LA FORMULA E IL NOME DEI COMPOSTI

Precedentemente abbiamo visto che molti metalli possono formare composti diversi con lo stesso elemento, per esempio il ferro e il cloro possono formare sia FeCl2 sia FeCl3. Dato che si tratta di due composti ionici, vediamo che nel primo caso l’atomo di ferro assume la carica 2+, mentre nel secondo caso 3+. Quindi, nel cloruro di ferro(II) il ferro è uno ione bivalente, mentre nel cloruro di ferro(III) è uno ione trivalente. Per distinguere situazioni analoghe e attribuire sia la formula sia il nome corretti, è utile ricorrere al concetto di numero di ossidazione, che può essere applicato in ogni situazione e in ogni tipologia di sostanza chimica.Si definisce numero di ossidazione (abbreviato n. ox.) la carica elettrica virtuale che può essere attribuita a un atomo o a uno ione impegnato in un legame chimico, immaginando di spostare tutti gli elettroni del legame stesso sull’atomo più elettronegativo.

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►I NUMERI DI OSSIDAZIONE SONO UTILI PER DETERMINARE LA FORMULA E IL NOME DEI COMPOSTI

Nel caso di un legame ionico, la carica elettrica di ciascuno ione è reale, quindi il n. ox. di uno ione coincide con la sua carica. Nel legame covalente polare, invece, dobbiamo attribuire tutti gli elettroni di legame all’atomo più elettronegativo, che quindi acquisterà una carica virtuale negativa, mentre gli altri che si legano a esso assumeranno di conseguenza una carica elettrica positiva.Il numero di ossidazione di un elemento che fa parte di un composto viene assegnato in base ad alcune regole. Nel caso dei semplici ioni monoatomici di un composto come NaCl, i numeri di ossidazione corrispondono alle cariche degli ioni; così, i numeri di ossidazione degli ioni Na+ e Cl- sono, rispettivamente, +1 e -1. Il numero di ossidazionespesso viene indicato come stato di ossidazione. Nel composto NaCl, il sodio ha numero di ossidazione +1 che equivale allo stato di ossidazione +1; il cloro ha numero di ossidazione -1 che equivale allo stato di ossidazione -1.

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► REGOLE PER ASSEGNARE I NUMERI DI OSSIDAZIONE

Le regole per assegnare i numeri di ossidazione sono, in ordine di priorità, le seguenti:

1.Il numero di ossidazione di un elemento libero, cioè non combinato chimicamente con altri elementi, è pari a zero, indipendentemente dal grado di complessità delle sue molecole.2.Il numero di ossidazione di uno ione monoatomico semplice (per esempio Na+ o Cl-) è pari alla carica dello ione.3.La somma di tutti i numeri di ossidazione degli atomi presenti in una molecola o in uno ione poliatomico deve essere uguale alla carica della particella.4.Il fluoro, nei suoi composti, ha numero di ossidazione -1.5.L’idrogeno, nei suoi composti, ha numero di ossidazione +1.6.L’ossigeno, nei suoi composti, ha numero di ossidazione -2.

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A volte due di queste regole possono entrare in conflitto: se ciò accade, dobbiamo utilizzare la regola con la maggior priorità e ignorare l’altra. Teniamo sempre presente la possibilità di sfruttare la tavola periodica e alcune nozioni di chimica apprese nei capitoli precedenti per ricordare le cariche di alcuni ioni. Per esempio, tutti i metalli del Gruppo IA formano ioni di carica 1+ e quindi con numero di ossidazione +1, mentre quelli del Gruppo IIA formano ioni di carica 2+ e quindi numero di ossidazione +2. Nei composti binari con i metalli, il numero di ossidazione del non-metallo è pari alla carica del suo anione .

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Molti composti contengono ioni poliatomici che abbiamo già incontrato, come lo ione ammonio (NH4

+), lo ione solfato (SO42-), lo ione nitrato (NO3

-) e lo ione acetato (C2H3O2-).

Le cariche di questi ioni rappresentano il numero di ossidazione complessivo di tutti gli atomi che costituiscono lo ione.

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8.3 LA CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSTI CHIMICI

► I COMPOSTI BINARI

I composti binari si suddividono, come sappiamo, in due categorie fondamentali: i composti ionici e i composti molecolari.

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► NOMENCLATURA DEI SALI BINARI

I sali binari sono composti in cui sono presenti un metallo e un non-metallo dei Gruppi VI e VII. I sali binari del Gruppo VII vengono chiamati anche alogenuri.

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► NOMENCLATURA DEGLI OSSIDI BASICI

Gli ossidi basici cono composti binari in cui un elemento è l’ossigeno e l’altro è un metallo.Vengono detti basici perché, reagendo con l’acqua, danno origine agli idrossidi o basi.

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► NOMENCLATURA DEGLI OSSIDI ACIDI

Gli ossidi acidi cono composti binari in cui un elemento è l’ossigeno e l’altro è un non-metallo. Vengono detti basici perché, reagendo con l’acqua, danno origine agli ossiacidi.

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► NOMENCLATURA DEI PEROSSIDI E DEI SUPEROSSIDI

I perossidi sono composti binari in cui l’ossigeno, legato all’idrogeno o a un metallo, ha numero di ossidazione -1; un esempio è il perossido di idrogeno, H2O2, chiamato anche acqua ossigenata, utilizzato comunemente per la disinfezione e lo sbiancamento di vari tipi di materiali.Nei superossidi l’ossigeno ha numero di ossidazione - 1/2 , un esempio è dato dal superossido di potassio, KO2, che è stato utilizzato come produttore di ossigeno molecolare nelle tute spaziali degli astronauti.La nomenclatura utilizza i termini perossido o superossido seguiti dal nome del secondo elemento. Come al solito, nel nome IUPAC di entrambi viene aggiunto il prefisso numerico davanti all’elemento.

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► NOMENCLATURA DEGLI IDRURI DEI METALLI

Gli idruri metallici, detti anche idruri ionici, sono composti binari dell’idrogeno in cui questo elemento assume il numero di ossidazione -1, in quanto è l’elemento più elettronegativo.

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► NOMENCLATURA DEGLI IDRURI COVALENTI

Gli idruri covalenti sono composti dell’idrogeno con un non-metallo. Il numero di ossidazione dell’idrogeno è quello comune, cioè +1. Sono composti molecolari, che hanno nomi con i quali sono conosciuti anche nell’uso comune.

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► NOMENCLATURA DEGLI IDRACIDI

Gli idracidi sono particolari idruri covalenti, in cui l’elemento non-metallico appartiene al Gruppo VI o VII. In ambiente acquoso danno luogo a soluzioni acide, da cui il nome.Gli idracidi del Gruppo VII sono detti anche acidi alogenidrici.

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► I COMPOSTI TERNARI

Nei composti ternari sono presenti almeno tre elementi diversi. Essi si suddividono in due categorie fondamentali, i composti ternari ionici e i composti ternari molecolari. La tabella seguente mostra la loro classificazione ulteriore.

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► NOMENCLATURA DEGLI IDROSSIDI

Gli idrossidi sono composti ionici ternari in cui compare il gruppo caratteristico -OH, detto gruppo ossidrile, legato a un metallo.Se x è il n. ox. del metallo, la formula generale dell’idrossido è Me(OH)x, dove Me è il simbolo generico che indica un metallo.Gli idrossidi, sciolti in acqua, danno luogo a soluzioni basiche.

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► NOMENCLATURA DEGLI OSSIACIDI

Gli ossiacidi sono composti ternari in cui compaiono sempre l’idrogeno, un non-metallo e l’ossigeno.Si tratta di sostanze che in acqua danno luogo a soluzioni acide..

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► GLI ACIDI META-, PIRO-, ORTO- E POLI-

Gli ossiacidi si possono considerare formalmente derivati per reazione tra una molecola di anidride e una molecola di acqua. Alcune anidridi possono però mescolarsi con l’acqua in rapporti diversi. La nomenclatura tradizionale utilizza i prefissi meta-, piro-,orto- e poli-.

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► NOMENCLATURA DEI PRINCIPALI OSSIANIONI

Gli ossianioni sono ioni poliatomici ossigenati, in cui è presente un non-metallo. In alcuni ossianioni è presente anche idrogeno, e in questo caso si parla di ossianioni acidi. Gli ossianioni si possono ottenere dalla ionizzazione degli ossiacidi corrispondenti; per gli ossianioni acidi la ionizzazione è solo parziale.

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► NOMENCLATURA DI ALCUNI SALI TERNARI

I sali ternari sono composti ionici derivati dalla combinazione di ossianioni e di ioni metallici o ioni poliatomici positivi (come lo ione ammonio NH4

+). Le combinazioni possibili sono numerosissime, e per ottenere le formule e i nomi occorre riferirsi alle regole che abbiamo studiato.

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