CHIMICA 1: Chimica Generale e Inorganica Laurea Triennale Biotecnologie

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1 CHIMICA 1: Chimica Generale e Inorganica Laurea Triennale Biotecnologie I composti chimici e la nomenclatura Dr. Laura Orian Dipartimento di Scienze chimiche Università degli Studi di Padova Via Marzolo Padova Tel laura.orian@unipd.it

2 I composti chimici si formano quando gli atomi si legano fra loro. In modo generale ci sono due tipi fondamentali di legame chimico: covalente e ionico. I legami covalenti richiedono la condivisione di elettroni tra atomi e sono alla base dei composti molecolari. I legami ionici richiedono il trasferimento di elettroni da un atomo all altro e danno luogo a composti ionici. Composti molecolari Un composto molecolare è formato da unità discrete (molecole) che consistono in un numero tipicamente piccolo di atomi non metallici tenuti insieme da legami covalenti. Il composto molecolare si rappresenta con formule chimiche

3 Tipi di formule Formula empirica (o minima) E la formula più semplice per un composto: mostra i tipi di atomi presenti e i loro numeri relativi. Formula molecolare Si basa sulla molecola reale del composto. Ad esempio CH 2 O è la formula empirica della formaldeide ma anche la formula minima di del glucosio la cui formula molecolare è C 6 H 12 O 6. Formula di struttura Mostra l ordine in cui gli atomi sono legati fra loro in una molecola e i tipi di legame presenti. Formula di struttura condensata Sono ancora evidenti i modi in cui gli atomi sono legati fra loro, ma si utilizzano dei raggruppamenti per far stare la formula su un unica riga. Formule ball and stick, formule space filling.

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5 Composti ionici Un composto ionico è formato da ioni positivi e negativi tenuti assieme da forze di attrazione elettrostatiche. Gli atomi degli elementi metallici tendono a perdere uno o più elettroni quando si combinano con atomi di elementi non metallici. Il risultato del trasferimento elettronico è la formazione di ioni positivi (cationi) e negativi (anioni). La carica di cationi/anioni di solito si ricava dalla tavola periodica. L unità di formula di un composto ionico è il più piccolo insieme di ioni elettricamente neutro. Ci sono ioni monoatomici e poliatomici.

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9 Nota la formula chimica di un composto è facile calcolare la sua massa formula (massa di un unità di formula in unità di massa atomica). Nel caso di composti molecolari la massa formula si chiama massa molecolare. Poiché il concetto di mole si può applicare a qualunque specie, una mole di composto è una quantità di composto che contiene un numero di Avogadro di unità di formula o molecole. La massa molare di un composto è la massa di una mole di composto, di una mole di molecole di un composto molecolare e di una mole di unità di formula di un composto ionico. Suggerimento: Mi alleno con le formule, la massa molare e la massa formula.

10 Stati di ossidazione Lo stato (numero) di ossidazione indica il numero di elettroni che un atomo cede, acquista o altrimenti usa per unirsi ad altri atomi nei composti. Es. NaCl Na: +1, Cl: -1 MgCl 2 Mg: +2, Cl: -1 Cl 2 Cl: 0 H 2 O H: +1, O: -2

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12 Le 7 regole per assegnare lo stato di ossidazione 1) Lo S.O. di un atomo nell elemento libero è 0. (Es. Cl 2 Cl: 0) 2) La somma degli S.O. di tutti gli atomi in (a) specie neutre è 0, (b) è pari alla carica della specie stessa. 3) Nei loro composti i metalli del gruppo 1 hanno S.O. pari a +1, quelli del gruppo 2 pari a +2. 4) Nei suoi composti il S.O. del fluoro è pari a -1. 5) Nei suoi composti l idrogeno ha di solito S.O. pari a +1. 6) Nei suoi composti l ossigeno ha di solito S.O. pari a -2. 7) Nei loro composti binari con i metalli gli elementi del gruppo 17 hanno S.O. pari a -1, quelli del gruppo 16 pari a -2 e quelli del gruppo 15 pari a -3. Quesito impossibile (?!): Qual è lo stato di ossidazione del ferro nella magnetite Fe 3 O 4?

13 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.

14 LA NOMENCLATURA DEI COMPOSTI MOLECOLARI SEGUE UN SISTEMA 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.

15 Nomenclatura E il metodo sistematico di assegnazione dei nomi ai composti chimici. I composti chimici formati da C, H, o C, H, N e O e pochi altri elementi sono detti composti organici. La chimica organica ha le sue regole di nomenclatura. I composti che non rientrano nella chimica organica sono detti inorganici e il ramo della chimica che li studia è detto chimica inorganica. Composti binari di metalli e non metalli In genere sono ionici. La regola è Si scrive il nome del metallo non modificato Si scrive il nome del non metallo con desinenza uro o ossido se è l ossigeno Es. NaCl Sodio cloruro Al 2 O 3 Alluminio ossido (oppure ossido di alluminio) Poiché alcuni metalli possono formare ioni diversi, si deve indicare lo stato di ossidazione Es. FeCl 2 cloruro di ferro(ii) o cloruro ferroso FeCl 3 cloruro di ferro(iii) o cloruro ferrico

16 Composti binari di due non metalli Se i due elementi sono entrambi non metalli, si tratta di un composto molecolare. Nella formula si scrive per primo l elemento con lo stato di ossidazione più positivo e l assegnazione del nome viene fatta in modo analogo al caso precedente. Es. HCl cloruro di idrogeno Alcune coppie di non metalli formano più di un composto molecolare ed è necessario distinguerli utilizzando i prefissi mono=1, di(bi)=2, tri=3, tetra=4, penta=5, esa =6, epta=7, otta=8, nona=9, deca=10. Es. SO 2 diossido di zolfo SO 3 triossido di zolfo B 2 Br 4 tetrabromuro di diboro NO monossido di azoto (non si usa mai il prefisso mono per il primo atomo) H 2 O monossido di diidrogeno (acqua)

17 Acidi binari (composti binari idrogeno- non metallo) Sono composti dell idrogeno con gli elementi non metallici dei gruppi 6 A (tranne l ossigeno) e 7 A e si comportano Come acidi di Arrhenius, cioè, sciolti in acqua si ionizzano, generando ioni H +. Nomenclatura IUPAC Nomenclatura Itradizionale HF HCl HBr HI H 2 S HCN fluoruro di idrogeno cloruro di idrogeno bromuro di idrogeno ioduro di idrogeno solfuro di idrogeno cianuro di idrogeno HF HCl HBr HI H 2 S HCN acido fluoridrico acido cloridrico acido bromidrico acido iodidrico acido solfidrico acido cianidrico

18 Composti binari idrogeno- non metallo Gli idracidi reagiscono con gli idrossidi per dare sali (in questo caso privi di ossigeno) Ad esempio Ca(OH) HCl CaCl 2 +2H 2 O Nomenclatura IUPAC Nomenclatura tradizionale NaCl BaCl 2 CuS Cu 2 S cloruro di sodio dicloruro di bario solfuro di dirame solfuro di rame NaCl BaCl 2 CuS Cu 2 S cloruro di sodio cloruro di bario 2 solfuro rameoso solfuro rameico

19 Composti con l ossigeno metalli Elementi + ossigeno Non metalli Ossidi basici ossidi H 2 O Ossidi acidi anidridi Acidi ossigenati sali

20 Un non metallo può formare fino a 4 diverse anidridi, che si diver con prefissi e suffissi. Composti binari contenenti ossigeno + acqua Metallo + ossigeno Non metallo + ossigeno Ossido H 2 O Idrossido Anidride Acido H 2 O Na 2 O + H 2 O NaOH Ossido di sodio + acqua Idrossido di sodio SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 Anidride solforosa+ acqua Acido solforoso FeO + H 2 O Fe(OH) 2 Ossido ferroso+ acqua Idrossido ferroso Ossido di ferro (II) + acqua Idrossido di ferro (II) SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 Anidride solforica+ acqua Acido solforico

21 Un non metallo può formare fino a 4 diverse anidridi, che si diversificano con prefissi e suffissi. Cl 2 O Cl 2 O 3 Cl 2 O 5 Cl 2 O 7 anidride ipoclorosa anidride clorosa anidride clorica anidride perclorica Idrossidi Gli idrossidi si ottengono per idratazione degli ossidi metallici. Sono composti ternari che contengono il gruppo ossidrile OH; sono detti anche basi. La nomenclatura tradizionale segue le regole degli ossidi, sostituendo appunto il nome ossido con idrossido. La nomenclatura IUPAC per gli idrossidi è identica a quella tradizionale, salvo che, nei casi in cui un metallo possa formare due diversi idrossidi, invece di usare un suffisso, si specifica il numero di ossidazione (sempre positivo) del metallo come numero romano tra parentesi rotonde, ad esempio: Fe(OH) 2 idrossido ferroso (trad.) o idrossido di ferro (II) (IUPAC)

22 Ossiacidi (acidi ossigenati) Sono composti ternari costituiti generalmente da idrogeno, ossigeno e un non metallo. Si ottengono formalmente per idratazione delle anidridi Nomenclatura tradizionale Le regole di nomenclatura tradizionale sono identiche a quelle viste per le anidridi da cui derivano formalmente: acido [aggettivo derivato dal nome del non metallo]''. L'aggettivo derivato dal nome del non metallo reca un opportuno suffisso e prefisso, nei casi già presi in considerazione per le anidridi A volte, il grado di idratazione (numero di molecole d'acqua addizionate all'ossido di partenza) non è unico: si utilizzano in questo caso i prefissi meta- piro- orto- per differenziare le specie acide risultanti (il prefisso orto- viene in genere omesso) P 2 O H 2 O 2HPO 3 P 2 O H 2 O H 4 P 2 O 7 P 2 O H 2 O 2H 3 PO 4 acido metafosforico acido pirofosforico acido ortofosforico

23 Sali (ossigenati): nomenclatura tradizionale Si ottengono formalmente dalla reazione fra una base e un ossiacido. Ad esempio: Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 CaSO 4 + H 2 O Sono generalmente composti ionici, costituiti da un catione metallico proveniente dalla base e da un anione (ossianione) ottenuto per sottrazione di uno o più ioni H + dalla molecola dell'acido. Nomenclatura tradizionale Il nome dei sali si ottiene dal nome dell'ossianione seguito dalla specifica del catione proveniente dalla base. Il nome dell'ossianione si ricava da quello dell'acido da cui proviene, in base alla seguente tabella

24 Ossoanioni del cloro

25 Sali acidi: nomenclatura tradizionale Per sali provenienti da acidi poliprotici (H 2 SO 4, H 3 PO 4,..), si premette la parola idrogeno, di-idrogeno etc. al nome dell'ossianione, nel caso in cui la reazione di neutralizzazione non abbia consumato tutti gli atomi di idrogeno disponibili. Si parla in questo caso di sali acidi. Ca(OH) H 2 SO 4 = Ca(HSO 4 ) H 2 O idrogenosolfato di calcio CuOH + H 3 PO 4 = CuH 2 PO 4 + H 2 O diidrogenofosfato rameoso NOTA: per i sali acidi derivanti da H 2 CO 3, H 2 SO 3, H 2 SO 4 è invalso l'uso del prefisso bi- Ad esempio: Ca(HCO 3 ) 2 bicarbonato di calcio Ca(HSO 3 ) 2 bisolfito di calcio Sali basici: nomenclatura tradizionale Analogamente ai sali acidi, si possono avere sali basici quando la reazione di neutralizzazione fra un acido e una base con più di un gruppo ossidrilico non è completa. Si utilizza in questo caso la parola basico, eventualmente preceduta da un prefisso che indica il numero di gruppi ossidrilici rimasti nel sale. Ad esempio: AlOH(NO3)2 : nitrato monobasico di alluminio

26 Nomenclatura IUPAC per Ioni I cationi monoatomici sono chiamati come l'elemento corrispondente Zn 2+ ione zinco (II) Ni 2+ ione nichel (II) H + protone Fe 3+ ione ferro (III) Fe 2+ ione ferro (II) Cationi poliatomici: H 3 O + ione ossonio (idrossonio) NH 4+ ione ammonio PH 4+ ione fosfonio (da fosfina PH 3 ) AsH 4+ ione arsonio (da arsina AsH 3 ) Gli anioni monoatomici prendono la desinenza in -uro ad eccezione dello ione ossido O 2- H - idruro F - fluoruro Cl - cloruro Br - bromuro I - Ioduro S 2- solfuro N 3- nitruro C 4- carburo Hanno terminazione in -uro anche alcuni nomi di anioni poliatomici S 2 2- disolfuro I 3- triioduro CN - cianuro HS 2- idrogeno disolfuro fanno eccezione gli anioni: OH - idrossido O 2 2- perossido O 2- superossido Suggerimento: Mi alleno con gli stati di ossidazione e la nomenclatura.

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