I COMPOSTI COMPOSTI IONICI E MOLECOLARI

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1 I COMPOSTI I composti sono combinazioni di elementi, in cui gli atomi dei vari elementi sono presenti in proporzione costante e caratteristica. Un composto binario è costituito da due elementi, ternario da tre etc. I composti organici sono i composti del carbonio. I composti inorganici sono i composti degli altri elementi, e inoltre alcuni composti semplici del carbonio (CO 2, carbonati). I composti organometallici possiedono un gruppo organico direttamente legato a un atomo metallico. 1 COMPOSTI IONICI E MOLECOLARI I composti possono essere di tipo ionico o molecolare. I composti ionici sono costituiti da IONI (= atomi o gruppi di atomi provvisti di carica elettrica) cioè da CATIONI (+) e ANIONI (-). Es: NaCl (formato da Na + e Cl - ), CaCO 3 (formato da Ca ++ e CO 3= ) I composti molecolari sono formati da molecole (= gruppi distinti di atomi legati insieme secondo un assetto specifico). Es: H 2 O, CO 2 Anche alcuni elementi si presentano in forma molecolare Es: H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2.. P 4, S 8 Alcuni elementi possono esistere in differenti forme chiamate forme allotropiche Es. per l ossigeno: O 2 (diossigeno) e O 3 (ozono) per il fosforo: P 4 (fosforo bianco) e (P 4 ) n fosforo rosso, polimerico) 2 1

2 FORMULE CHIMICHE Per rappresentare un composto si usa una combinazione di simboli chiamata FORMULA CHIMICA FORMULE CHIMICHE: 1. Formula mimima 2. Formula molecolare 3. Formula di struttura 1. Formula minima (o empirica) indica i rapporti numerici tra gli atomi dei vari elementi nel composto es: Formula minima del glucosio CH 2 O (composto formato da atomi di C, H, O in rapporto 1:2:1) 3 COMPOSTI E FORMULE CHIMICHE 2. Formula molecolare indica il numero di atomi di ciascun elemento presenti nella molecola. es: Formula molecolare del glucosio C 6 H 12 O 6 (una molecola è formata da 6 atomi di C, 12 atomi di H, 6 atomi di O) In alcuni casi formula minima e molecolare coincidono (es. H 2 O, CO 2 ), in generale la formula molecolare è un multiplo della formula minima (es. acido acetico F. Min. CH 2 O, F. Mol. C 2 H 4 O 2 ) Per i composti IONICI la composizione è espressa direttamente dalla formula minima. 4 2

3 COMPOSTI E FORMULE CHIMICHE 3. Formula di struttura indica il modo in cui gli atomi sono legati tra loro in una molecola e i tipi di legame presenti. NUMERO DI OSSIDAZIONE (n.o.) Il numero (o stato) di ossidazione è il numero di elettroni che un atomo cede o acquista o comunque usa per unirsi ad altri atomi nei composti Regole per assegnare i n.o. 1. Per un atomo allo stato elementare n.o.= 0 2. Per l ossigeno n.o.= -2 (eccezioni: perossidi O 2 = (-1), superossidi O 2 - (-1/2), OF 2 (+2)) 3. Per l idrogeno n.o.= +1 (eccezione: idruri metallici (-1)) 4. Per gli elementi dei gruppi 1 e 2 il n.o. è rispettivamente +1 e Per uno ione monoatomico n.o.= carica 6. La somma algebrica dei n.o. vale zero per molecole non cariche, mentre per ioni molecolari coincide con la carica 6 3

4 NUMERO DI OSSIDAZIONE (n.o.) ESEMPI CO 2 CO 2 CO x(-2) = Fe 2 O 3 Fe 2 O 3 Fe 2 O 3 2 x(+3) + 3 x(-2) = H 2 S H 2 S H 2 S 2 x(+1) + (-2) = H 2 SO 4 H 2 SO 4 H 2 SO 4 2 x(+1) x(-2) = ClO - ClO - ClO (-2) = Cr 2 O 7 = Cr 2 O 7 = Cr 2 O 7 = 2 x(+6) + 7 x(-2) = -2 7 nomenclatura tradizionale e/o nomenclatura IUPAC COMPOSTI BINARI (1): OSSIDI OSSIDI DI NONMETALLI Solo nomenclatura IUPAC si impiegano prefissi numerici dal greco: (mono), di, tri, tetra, penta, esa, epta, otta, nona, deca etc. Es: ossidi di azoto N 2 O ossido di diazoto N 2 O 3 triossido di diazoto N 2 O 4 tetrossido di diazoto NO ossido di azoto NO 2 diossido di azoto N 2 O 5 pentossido di diazoto 8 4

5 segue COMPOSTI BINARI (1): OSSIDI OSSIDI DI METALLI nomenclatura IUPAC e (più usata) tradizionale Na 2 O ossido di sodio CaO ossido di calcio Al 2 O 3 ossido di alluminio Se sono possibili due n.o. del metallo: (a) suffissi oso e ico (b) numeri romani per indicare il n.o. (notazione di Stock) FeO ossido ferroso, ossido di ferro(ii) Fe 2 O 3 ossido ferrico, ossido di ferro(iii) 9 COMPOSTI BINARI (2): PEROSSIDI (i) tipo molecolare: H 2 O 2 perossido di idrogeno (ii) tipo ionico: contengono lo ione O 2 = ione perossido es: Na 2 O 2 perossido di sodio CaO 2 perossido di calcio COMPOSTI BINARI (3): SUPEROSSIDI Contengono lo ione O 2 - ione superossido es: KO 2 superossido di potassio 10 5

6 COMPOSTI BINARI (4): COMPOSTI ELEMENTO-IDROGENO (i) tipo ionico: IDRURI formati da un catione metallico e ione idruro H - NaH idruro di sodio CaH 2 idruro di calcio (ii) tipo covalente: (a) HF, HCl, HBr, HI, H 2 S fluoruro (cloruro, bromuro, ioduro, solfuro) di idrogeno in soluzione acquosa: idracidi (acido fluoridrico, cloridrico, bromidrico, iodidrico, solfidrico) (b) H 2 O (acqua), NH 3 (ammoniaca) 11 COMPOSTI BINARI (5): COMPOSTI TRA NONMETALLI I più comuni sono formati da un nonmetallo del gruppo 15 (es. P, S) e un alogeno (gruppo 17: F, Cl, Br, I) nomenclatura IUPAC: alogenuro (fluoruro, cloruro, bromuro, ioduro) di fosforo (o zolfo etc.) premettendo a entrambi i termini i prefissi di, tri, tetra, penta etc. esempi: PCl 3 tricloruro di fosforo SF 6 esafluoruro di zolfo B 2 Br 4 tetrabromuro di diboro 12 6

7 COMPOSTI TERNARI (1): IDROSSIDI (M/O/H) Sono composti ionici formati da catione metallico e anione OH - (ione idrossido). Si usa la nomenclatura tradizionale. KOH idrossido di potassio Mg(OH) 2 idrossido di magnesio Al(OH) 3 idrossido di alluminio CuOH idrossido rameoso (o idrossido di rame(i)) Cu(OH) 2 idrossido rameico (o idrossido di rame(ii)) 13 COMPOSTI TERNARI (2): OSSIACIDI (NM/O/H) Nomenclatura IUPAC H 2 SO 3 acido triossisolforico H 2 SO 4 acido tetrossisolforico Nomenclatura tradizionale: prefissi (ipo-, per-) suffissi (-oso, -ico) HClO acido ipocloroso HBrO ipobromoso HIO ipoiodoso HClO 2 acido cloroso HBrO 2 bromoso HIO 2 iodoso HClO 3 acido clorico HBrO 3 bromico HIO 3 iodico HClO 4 acido perclorico HBrO 4 perbromico HIO 4 periodico HNO 2 acido nitroso, HNO 3 acido nitrico H 2 SO 3 acido solforoso, H 2 SO 4 acido solforico H 3 PO 3 acido fosforoso, H 3 PO 4 acido fosforico 14 7

8 segue OSSIACIDI H 2 CO 3 acido carbonico H 3 BO 3 acido borico H 4 SiO 4 acido silicico Se esistono due o più ossiacidi in cui il nonmetallo ha lo stesso n.o.: prefissi orto-, meta-, piro- H 3 PO 4 acido (orto)fosforico (3 OH per atomo di P) H 4 P 2 O 7 acido pirofosforico (2 OH per atomo di P) HPO 3 acido metafosforico (1 OH per atomo di P) Acidi monoprotici es. HClO 4 Acidi poliprotici: H 2 CO 3 diprotico, H 3 PO 4 triprotico 15 IONI cationi monoatomici Na + ione sodio Ca ++ ione calcio Fe 3+ ione ferro(iii) H + protone IONI cationi biatomici ottenuti da composti elemento-idrogeno: desinenza onio H 3 O + ione idronio NH + 4 ione ammonio 16 8

9 IONI anioni monoatomici suffisso uro H - idruro, Cl - cloruro, S = solfuro IONI anioni poliatomici (i) da ossiacidi per dissociazione di tutti gli ioni H + : il nome dell anione mantiene il prefisso, modifica il suffisso: acido oso anione ito (HNO 2 acido nitroso, NO 2 - ione nitrito) acido ico anione ato (HNO 3 acido nitrico, NO 3 - ione nitrato) (ii) da acidi poliprotici (per dissociazione di non tutti gli ioni H + ): si aggiunge il prefisso idrogeno- (o diidrogeno-) H 2 S acido solfidrico HS - ione idrogenosolfuro H 2 SO 4 acido solforico HSO - 4 ione idrogenosolfato H 3 PO 4 acido fosforico H 2 PO - 4 ione diidrogenofosfato HPO = 4 ione idrogenofosfato 17 SALI Sali di idracidi: suffisso uro NaCl cloruro di sodio K 2 S solfuro di potassio Sono composti ionici formati da un catione metallico e un anione derivato da un acido. Nomenclatura: nome anione + nome catione. Sali di ossiacidi: suffissi ito e ato (+ eventuali prefissi) KClO ipoclorito di potassio MgCO 3 carbonato di magnesio Fe 2 (SO 4 ) 3 solfato ferrico (solfato di ferro(iii)) Na 3 PO 4 fosfato di sodio Sali acidi: l anione mantiene uno o più atomi di idrogeno Na 2 HPO 4 idrogenofosfato di sodio NaH 2 PO 4 diidrogenofosfato di sodio 18 9

10 SALI IDRATI I composti idrati sono composti ionici (in genere sali) che formano cristalli contenenti molecole d acqua in proporzione definita. Gli idrati si denominano indicando il nome dal composto seguito dal termine idrato preceduto dal prefisso che indica il numero di molecole d acqua contenute in ciascuna unità formula. Un sale idrato che perde l acqua di idratazione dà luogo al sale anidro. Esempi: CuSO 4 5H 2 O CrCl 3 6H 2 O solfato di rame(ii) pentaidrato cloruro di cromo(iii) esaidrato 19 Alcuni composti organici comuni Composti binari C/H : idrocarburi (classi principali: idrocarburi alifatici (alcani, alcheni, alchini); idrocarburi aromatici) Alcani C n H 2n+2 suffisso ano CH 4 metano, C 2 H 6 etano, C 3 H 8 propano, C 4 H 10 butano, C 5 H 12 pentano Alcheni C n H 2n suffisso ene C 2 H 4 etene (o etilene), C 3 H 6 propene, C 4 H 8 butene Alchini C n H 2n-2 suffisso ino C 2 H 2 etino (o acetilene), C 3 H 4 propino Idrocarburi aromatici: benzene C 6 H 6 Composti ternari C/H/O Alcoli => contengono il gruppo OH (suffisso olo) CH 3 OH metanolo (o alcol metilico), C 2 H 5 OH etanolo (o alcol etilico) Acidi carbossilici => contengonno il gruppo COOH (suffisso oico) HCOOH acido metanoico (o acido formico) CH 3 COOH acido etanoico (o acido acetico) 20 10

11 segue Alcuni composti organici comuni segue Composti ternari C/H/O Eteri => contengono un frammento C-O-C C 2 H 5 OC 2 H 5 dietiletere (o etere etilico) Composti ternari C/H/N Ammine => contengono (nel caso più semplice) il gruppo NH 2 CH 3 NH 2 metilammina, C 2 H 5 NH 2 etilammina Composti ternari C/H/X con X = F, Cl, Br, I => Alogenoalcani CH 3 Cl clorometano (o cloruro di metile) CH 3 Br bromometano (o bromuro di metile) CHCl 3 triclorometano (o cloroformio) CCl 4 tetracloro metano (o tetracloruro di carbonio) 21 MASSA MOLECOLARE è ottenuta sommando le masse atomiche di tutti gli atomi presenti nella molecola, ed è espressa in uma es: mm (H 2 O) = 2 x ma(h) + ma(o) = = 2 x = uma Per composti IONICI si parla di MASSA FORMULA es: mf (NaNO 3 ) = ma(na) + ma(n) + 3 x ma(o) = = x = uma 22 11

12 MOLE e MASSA MOLARE 1 mole di particelle = N A particelle N A = numero di atomi di carbonio contenuti in 12 g esatti di 12 C N A = numero di Avogadro = x La massa di una mole di atomi di un dato elemento è detta MASSA MOLARE, è espressa in g/mol ed è numericamente uguale alla massa atomica La massa di una mole di molecole di un dato composto è detta MASSA MOLARE, è espressa in g/mol ed è numericamente uguale alla massa molecolare Per un determinato composto, la relazione tra la massa considerata e il corrispondente numero di moli è: n (mol) = massa (g) / Massa Molare (g mol -1 ) 23 segue MOLE e MASSA MOLARE La massa di una mole di atomi di un dato elemento è detta MASSA MOLARE, è espressa in g/mol ed è numericamente uguale alla massa atomica La massa di una mole di molecole di un dato composto è detta MASSA MOLARE, è espressa in g/mol ed è numericamente uguale alla massa molecolare NB: attenzione nel caso di elementi che si presentano sotto forma di molecola biatomica, per esempio 1 mole di ossigeno ambiguo! è necessario specificare: 1 mole di atomi di ossigeno (O, MM = 16 g mol -1 ), oppure 1 mole di ossigeno molecolare o elementare (O 2, MM = 32 g mol -1 ) 24 12

13 Relazione tra moli, massa e Massa Molare n (mol) = m (g) / MM (g mol -1 ) Per Fe: massa atomica = uma, Massa Molare = g mol -1 Per H 2 O: massa molecolare = uma, MM = g mol -1 Es.1 A quante moli corrispondono 20.0 g di diossido di carbonio? CO 2 mm = uma, MM = g mol -1 n = 20.0 g / g mol -1 = mol Es. 2 A quanti grammi corrispondono moli di fosfato di zinco? Zn 3 (PO 4 ) 2 [386] m = n x MM = mol x 386 g mol -1 = 7.0 g Es.3 A quante millimoli corrispondono 155 mg di periodato di calcio? Ca(IO 4 ) 2 [422] n = g / 422 g mol -1 = 3.67x10-4 mol = mmol 25 Determinazione della composizione percentuale di un composto La composizione di un composto può essere espressa, oltre che dalla formula chimica, dalla composizione percentuale, che specifica la percentuale (in massa) per ciascun elemento Es. 1: determinare la composizione % dell acido nitrico HNO 3 [63.02] In 1 molecola HNO 3 sono contenuti 1 atomo H, 1 atomo N, 3 atomi O Moltiplicando tutto per N A : In una mole di molecole HNO 3 sono contenuti: 1 mole atomi H (1.01 g) % H = (1.01/63.02) x 100 = 1.60 % 1 mole atomi N (14.01 g) % N = (14.01/63.02) x 100 = % 3 moli atomi O (3x16.00 g) %O = (3x16.00/63.02) x 100 = % 26 13

14 Determinazione della composizione percentuale di un composto Es. 2: determinare la composizione % del perclorato di magnesio Mg(ClO 4 ) 2 [223.21] In un unità formula del sale sono contenuti: 1 atomo Mg 2 atomi Cl 8 atomi O Moltiplicando tutto per N A : In una mole di Mg(ClO 4 ) 2 sono contenuti: 1 mole atomi Mg [24.31] % Mg = (24.31/223.21) x 100 = % 2 moli atomi Cl [35.45] % Cl = (2x35.45/223.21) x 100 = % 8 moli atomi O [16.00] % O = (8x16.00/223.21) x 100 = % 27 Determinazione della composizione percentuale di un composto Es. 3: determinare la composizione % del cloruro di rutenio(iii) triidrato RuCl 3 3H 2 O [261.47] In un unità formula del sale idrato sono contenuti: 1 atomo Ru 3 atomi Cl 3 molecole H 2 O (= 6 atomi H e 3 atomi O) Moltiplicando tutto per N A : In una mole del sale idrato sono contenuti: 1 mole atomi Ru [101.07] % Ru = (101.07/261.47) x 100 = 38.65% 3 moli atomi Cl [35.45] % Cl = (3x35.45/261.47) x 100 = 40.67% 6 moli atomi H [1.01] % H = (6x1.01/261.47) x 100 = 2.32 % 3 moli atomi O [16.00] %O = (3x16.00/261.47) x 100 = 18.36% 28 14

15 Determinazione della formula minima di un composto nota la composizione percentuale 1) Calcolare la formula minima di un composto che ha la seguente composizione % : Li 3.7 %, Al 14.5 %, Si 30.2 %, il resto è ossigeno In 100 g il composto contiene 3.7 g Li, 14.5 g Al, 30.2 g Si e 51.6 g O Trasformando queste quantità in moli si ottiene: Li [6.94] n(li) = 3.7 g / 6.94 g mol -1 = 0.53 mol Al [26.98] n(al) = 14.5 g / g mol -1 = 0.54 mol Si [28.09] n(si) = 30.2 g / g mol -1 = 1.08 mol O [16.00] n(o) = 51.6 g / g mol -1 = 3.23 mol Dividendo tutti i valori in moli per il valore più piccolo (0.53) otteniamo: n(li) = 1.0 mol ; n(al) = 1.0 mol : n (Si) = 2.0 mol ; n (O) = 6.0 mol Da cui la formula minima: LiAlSi 2 O 6 29 Determinazione della formula minima di un composto nota la composizione percentuale 2) Calcolare formula minima e molecolare della nicotina, composto organico che ha Massa Molare pari a 162 g mol -1 e la seguente composizione percentuale: C %, H 8.70 %, N %. In 100 g il composto contiene g di C, 8.70 g H e g O Trasformando queste quantità in moli si ottiene: C [12.01] n(c) = g / g mol -1 = 6.16 mol H [1.01] n(h) = 8.70 g / 1.01 g mol -1 = 8.61 mol N [14.01] n(n) = g / g mol -1 = 1.23 mol Dividendo tutti i valori in moli per 1.23 otteniamo: n(c) = 5.01 mol ; n(h) = 6.98 mol ; n(n) = 1.00 mol => F. Min. C 5 H 7 N La formula molecolare è un multiplo della formula minima: F. Min. C 5 H 7 N [81] F. Mol. C 10 H 14 N 2 [162] 30 15