COMPOSTI CHIMICI E REAZIONI CHIMICHE

COMPOSTI CHIMICI E REAZIONI CHIMICHE

I composti chimici sono rappresen­tati da una formula; per scrivere correttamente la formula di un composto chimico è necessario conoscere i numeri di ossidazione egli elementi. Acquisita questa conoscenza, bisogna imparare come viene assegnato il nome del composto chimico.

Previsione dei numeri di ossidazione

Gli elettroni coinvolti nelle reazioni tra atomi sono quelli esterni ed a più alta energia. Essendo note le conurazioni elettroniche degli atomi e la particolare stabilità degli atomi con l'ottetto, è possibile prevedere i numeri di ossidazione degli elementi. Il numero di ossidazione di un elemento aiuta a com­prendere gli spostamenti degli elettroni da un atomo all'altro che si verificano quando si formano legami e composti nelle reazioni chimiche. Tale numero corrisponde alla carica formale che l'elemento assume diventando uno ione, quando acquista o perde elettroni. Il numero di ossidazione è negativo se l'atomo acquista elet­troni, positivo se ne perde.

Nei metalli del gruppo IA, ciascun atomo ha un solo elettrone nel livello esterno; questi metalli raggiungono l'ottetto quando perdono questo elettrone: hanno quindi numero di ossidazione +1. Nel caso dell'idrogeno, se perde un elettro­ne il suo numero di ossidazione è + 1, mentre se acquista un elettrone, assume la conurazione dell'elio, con numero di ossidazione -l.

Nel gruppo IIA, gli atomi, per raggiungere la conurazione del gas nobile precedente, devono perdere i due elettroni s; quindi, il numero di ossidazione dei metalli alcalino - terrosi è + 2.

Gli elementi del gruppo IIIA tendono a perdere tre elettroni e hanno numero di ossidazione +3.

Gli elementi del gruppo IVA tendono a perdere quattro elettroni e hanno numero di ossidazione +4. Il carbonio, lo stagno e il piombo possono avere numeri di ossidazione +2 e +4.

Gli elementi dei gruppi V A, VIA e VIIA, che tendono ad acquistare elettroni per completare l'ottetto, hanno numeri di ossida­zione rispettivamente -3, -2 e -l. È anche possibile che perdano elettroni e abbiano numeri di ossi­dazione positivi. La tendenza a perdere elettroni aumenta man mano che, in un gruppo, si procede verso il basso.

Gli elementi di transizione possono perdere non solo gli elettroni del livello esterno (s), ma anche alcuni del livello inferiore (d), per cui hanno numeri di ossidazione che variano da +2 a +7.

Talvolta è necessario calcolare il numero di ossidazione degli elementi di un composto partendo dalla formula chimica del composto stesso; ciò è possibile conoscendo i numeri di ossidazione degli altri elementi coinvolti.

Cariche di ioni poliatomici comuni

ammonio   NH₄⁺

idronio   H₃O⁺

-l

ipoclorito    ClO^-

clorito ClO₂^-

clorato    ClO₃^-

perclorato  ClO₄^-

idrossido   OH^-

nitrito  NO₂^-

nitrato NO₃^-

acetato   CH₃COO^-

cianuro   CN^-

bicarbonato HCO₃^-

permanganato MnO₄^-

carbonato  CO₃^-2

solfito SO₃^-2

solfato    SO₄^-2

ossalato C₂O₄^-2

fosfito PO₃^-3

fosfato    PO₄^-3

arseniato   AsO₄^-3

Numeri di ossidazione degli elementi più comuni

H

Na +1

K +1

Mg +2

Ca +2

B +3

Al +3

C +2,

O -2, -l

F -l

Regole per l'assegnazione dei numeri di ossidazione

Ci sono alcune regole generali che consentono di determinare il numero di ossidazione di un atomo o di uno ione in un composto:

o   Regola 1: Il numero di ossidazione ii una sostanza allo stato elemen­tare è zero. Ciò è valido per tutte le strutture atomiche e molecolari monoatomiche, biatomiche o poliatomiche.

o   Regola 2: Il numero di ossidazione li uno ione monoatomico è uguale alla carica dello ione; alcuni atomi possono avere numeri di ossidazione diffe­renti.

o   Regola 3: Il numero di ossidazione dell'atomo di idrogeno nella maggior parte dei composti è -1.

o   Regola 4: Il numero di ossidazione degli atomi di ossigeno è -2; tranne che nei perossidi, dove l'ossigeno ha numero di ossidazione -l.

o   Regola 5: La somma dei numeri di I ossidazione di tutti gli atomi in una molecola o ione poliatomico deve essere uguale alla carica apparente di quella specie.

o   Regola 6: nei composti, gli elementi dei gruppi IA e IIA e l'alluminio hanno numeri di ossidazione positivi uguali al numero del gruppo della tavola periodica cui appartengono.

Formula di un composto

Per scrivere la formula di un composto occorre ricordare che gli atomi e gli ioni che fanno parte di un composto chimico si combinano secondo rapporti definiti, che risultano dalla conoscenza dei numeri di ossidazione degli elementi e dalle cariche degli ioni poliatomici.

Nella formula di un composto chimico, gli atomi e gli ioni si combinano in modo che la somma delle cariche formali sia uguale a zero.

Con l'eccezione dell'ammoniaca, l'elemento con il numero di ossidazione positivo è scritto per primo.

Nomenclatura razionale dei composti

La nomenclatura razionale si basa sulla distinzione fra composti binari e ternari.

Composti binari

Per denominare un composto binario si deve scrivere prima il nome dell'elemento con carica negativa, e poi il nome dell'elemento positivo; il nome dell'elemento negativo deve essere modificato con il suffisso -uro, a eccezione dell'ossigeno, che prende il nome di ossido. Al nome degli elementi con più numeri di ossidazione si aggiunge il numero ordinario corrispondente.

Composti ternari

Nell'assegnazione del nome ai composti contenenti più di due elementi, il nome dell'elemento caratteristico dell'anione (ione negativo; lo ione positivo è detto catione) poliatomico terminerà con il suffisso -ato e sarà preceduto dal nome che indica gli atomi di ossigeno; a tutto questo si aggiunge il nome dello ione positivo.

Nomenclatura tradizionale dei composti e loro preparazione in laboratorio

La nomenclatura tradizionale dei composti si basa sulle caratteristiche metalliche o non metalliche degli elementi che costituiscono un composto chimico, per cui i composti sono denominati ossidi, idrossidi, anidridi, acidi e sali.

Ossidi

Gli ossidi sono composti binari costituiti da metallo e ossigeno. Se il metallo presente nel composto ha un solo numero di ossidazione, il nome viene assegnato aggiungendo al termine ossido il nome del metallo cui l'ossigeno è legato. Se il metallo ha due numeri di ossidazione, il metallo con il numero di ossidazione minore prende il suffisso -oso, quello con il numero di ossidazione maggiore prende il suffisso -ico.

Gli ossidi si preparano facendo reagire un metallo con l'ossigeno: metallo + ossigeno ossido

Può essere necessario introdurre dei coefficienti per bilanciare la reazione.

Gli ossidi sono chiamati anche ossidi basici perché, reagendo con l'acqua, danno luogo a idrossidi o basi.

Perossidi

I perossidi sono composti caratterizzati dalla presenza di due ossigeni legati fa loro con un legame covalente, in cui l'ossigeno ha numero di ossidazione -1. il nome viene assegnato aggiungendo al termine perossido il nome dell'elemento cui gli ossigeni sono legati.

Idrossidi (basi)

Gli idrossidi sono composti caratterizzati dal gruppo funzionale (gruppo caratteristico di un composto) ossidrile OH^-, che è preso un numero di volte pari alla carica dello ione cui è legato. Il nome viene assegnato aggiungendo al termine idrossido il nome del metallo cui l'ossigeno è legato.

Gli idrossidi si preparano facendo reagire un ossido con l'acqua: ossido + acqua idrossido

Anidridi

Le anidridi sono composti binari costituiti da non metallo e ossigeno. Per assegnare il nome a questi composti, si usano le seguenti regole:

o   Se il non metallo ha un solo numero di ossidazione, il suffisso è -ica;

o   Se il non metallo ha due numeri di ossidazione, uno fra 1 e 4 e l'altro fra 5 e 7, per il più basso si usa il suffisso -osa, per il più alto -ica;

o   Se il non metallo ha due numeri di ossidazione, entrambi fra 1 e 4, per quello più basso si usa il prefisso ipo-;  

o   Se il non metallo ha due numeri di ossidazione, entrambi compresi fra 5 e 7, per quello più alto si usa il prefisso per-.

Le anidridi si preparano facendo reagire il non metallo con l'ossigeno: non metallo + ossigeno → anidride

Acidi

Gli acidi sono composti che in acqua danno luogo alla formazione di ioni idrogeno H⁺; ne esistono due tipi: gli idracidi e gli ossiacidi.

o   Gli idracidi sono composti binari costituiti da idrogeno e da un non metallo. Il nome viene assegnato aggiungendo al nome del non metallo il suffisso -idrico e premettendo il termine acido.

Gli idracidi si preparano facendo reagire l'idrogeno con il non metallo: idrogeno + non metallo → idracido

o   Gli ossiacidi sono composti ternari costituiti da idrogeno, da un non metallo e da ossigeno. Si ottengono dall'aggiunta di acqua all'anidride: anidride + acqua → ossiacido

Sali

I sali sono composti che si ottengono per sostituzione totale o parziale degli idrogeni di un acido con uno ione metallico.

Suffisso acido

-idrico

-oso

-ico

Suffisso sale

-uro

-ito

-ato

Dopo aver scelto il suffisso, si aggiunge il nome dello ione metallico seguendo le solite regole.

Acido + base → sale + acqua

o   I sali che derivano da acidi poliprotici (che hanno più di un idrogeno nella molecola) per sostituzione parziale dello ione idrogeno si dicono sali acidi. Facendo precedere il nome dello ione poliatomico dalla parola idrogeno si ottiene il nome del sale acido.

o   I sali che contengono gruppi ossidrili (OH^-) nella loro molecola sono definiti sali basici. Facendo seguire la parola idrossido al nome dello ione poliatomico, si ottiene il nome del sale basico.

o   I minerali sono costituiti da sali doppi, sali particolari in cui, accanto allo stesso anione, sono presenti ioni metallici diversi.

Un sistema di nomenclatura utilizza prefissi che indicano il numero degli atomi presenti.

Sommario dei composti chimici

Rappresentazione e bilanciamento delle trasformazioni chimiche

La reazione chimica è un processo mediante cui una o più sostanze si trasformano in una o più sostanze diverse. La reazione chimica può essere rappresentata da un'equazione che mostra i cambiamenti che si verificano e la quantità relativa dei vari elementi e composti che prendono parte a queste trasformazioni.

Le sostanze di partenza in una reazione chimica sono definite reagenti, le sostanze che si formano sono definite prodotti.

Per scrivere un'equazione chimica che rappresenti esattamente la reazione, si deve procedere seguendo tre fasi:

o   Determinare quali sono i reagenti e quali i prodotti;

o   Scrivere l'equazione chimica ponendo alla sinistra della freccia i reagenti e a destra i prodotti. La freccia indica la direzione secondo cui avviene la reazione;

o   Bilanciare l'equazione.

Bilanciare una reazione significa aggiustare i coefficienti in modo che vi sia, da entrambi i lati dell'equazione, lo stesso numero di atomi per ogni elemento. Per bilanciare un'equazione chimica, si cambiano soltanto i coefficienti, non gli indici delle formule.

La variazione del numero di ossidazione di alcuni elementi di una reazione consente di stabilire che la reazione è una reazione di ossido - riduzione.

Calcoli nelle reazioni chimiche: calcoli stechiometrici

I calcoli stechiometrici consentono di conoscere la massa delle sostanze che partecipano ad una reazione chimica. I coefficienti di un'equazione bilanciata indicano la quantità, in moli, relativa ai prodotti e ai reagenti. La mole è la quantità di sostanza pari al peso molecolare: mole = g/PM.

Reagente limitante

Se in una reazione chimica sono poste a reagire quantità di sostanze inferiori o superiori a quelle necessarie per bilanciare la reazione, il reagente scarso viene consumato completamente, ed è definito reagente limitante; del reagente in eccesso resterà una quantità non consumata.

Classificazione delle reazioni chimiche

o   Sintesi: due o più sostanze si uniscono per formare una nuova sostanza; elemento composto + elemento composto → composto

o   Decomposizione: le sostanze si decompongono in sostanze più semplici; composto → due o più elementi composti

o   Scambio o sostituzione semplice: un elemento sposta un altro elemento in un composto; elemento + composto → elemento + composto

o   Doppio scambio o sostituzione doppia: le parti positive e negative di due composti si scambiano fra loro; composto + composto → composto + composto

Reazioni esotermiche ed endotermiche

Alcune reazioni chimiche avvengono con sviluppo di calore o con assorbimento di calore; poiché le reazioni chimiche comportano un riassetto degli elettroni e dei reagenti, è necessario che i reagenti superino una barriera energetica, detta energia di attivazione.

Perché una reazione chimica possa aver luogo, si devono verificare le seguenti condizioni:

o   I reagenti devono urtarsi;

o   L'urto deve avvenire secondo un'opportuna direzione;

o   Le sostanze devono possedere l'energia necessaria per superare la barriera energetica.

Quando le sostanze sono in condizione di poter superare la barriera energetica, si possono verificare due situazioni:

o   Il contenuto di energia dei prodotti di reazione è superiore a quello delle sostanze reagenti: la reazione è endotermica, cioè è necessario somministrare continuamente energia per farla avvenire, e il calore fa parte dei reagenti;

o   Il contenuto di energia dei prodotti è inferiore a quello dei reagenti: la reazione è esotermica, cioè avviene con sviluppo di calore, e il calore è un prodotto.

Glossario

o   Il numero di ossidazione di un elemento è la carica (formale) che un atomo sembra avere quando gli viene assegnato un determinato numero di elettroni nella formazione di un legame.

o   Gli ossidi sono composti binari costituiti da metallo e ossigeno.

o   I perossidi sono composti formati da ossigeno con numero di ossidazione -1.

o   Gli idrossidi (basi) sono composti caratterizzati dal gruppo ossidrile OH^- legato allo ione metallico.

o   Le anidridi sono composti formati da non - metallo e ossigeno.

o   Gli idracidi sono composti costituiti da idrogeno e da un non - metallo.

o   Gli ossiacidi sono composti costituiti da idrogeno, da un non - metallo e ossigeno.

o   I sali sono composti che derivano dagli acidi per sostituzione totale o parziale degli ioni H⁺.

o   I sali acidi sono composti che derivano da acidi poliprotici (aventi più di un idrogeno) per sostituzione parziale dello ione idrogeno.

o   I sali basici sono composti che contengono gruppi ossidrili OH^- nella loro molecola.

o   I sali doppi sono composti costituiti da ioni metallici diversi, uniti allo stesso ione negativo.

o   La reazione chimica è il processo per cui una o più sostanze sono trasformate in una o più nuove sostanze.

o   I reagenti sono le sostanze che danno origine ad una reazione chimica.

o   I prodotti sono le sostanze che si ottengono da una reazione chimica.

o   Una reazione esotermica avviene con sviluppo di calore.

o   Una reazione endotermica avviene con assorbimento di calore.