Chimica Introduttiva

Nelle reazioni chimiche ordinarie, il nucleo di ogni atomo (e quindi l’identità dell’elemento) rimane invariato. Gli elettroni, tuttavia, possono essere aggiunti agli atomi per trasferimento da altri atomi, persi per trasferimento ad altri atomi, o condivisi con altri atomi. Il trasferimento e la condivisione di elettroni tra gli atomi regolano la chimica degli elementi. Durante la formazione di alcuni composti, gli atomi guadagnano o perdono elettroni, e formano particelle elettricamente cariche chiamate ioni (Figura 1).

Figura 1. (a) Un atomo di sodio (Na) ha lo stesso numero di protoni ed elettroni (11) ed è senza carica. (b) Un catione di sodio (Na+) ha perso un elettrone, quindi ha un protone in più (11) rispetto agli elettroni (10), dandogli una carica positiva complessiva, indicata da un segno più in apice.

Si può usare la tavola periodica per prevedere se un atomo formerà un anione o un catione, e spesso si può prevedere la carica dello ione risultante. Gli atomi di molti metalli del gruppo principale perdono abbastanza elettroni da lasciarli con lo stesso numero di elettroni di un atomo del gas nobile precedente. Per illustrare, un atomo di un metallo alcalino (gruppo 1) perde un elettrone e forma un catione con una carica 1+; un metallo alcalino-terroso (gruppo 2) perde due elettroni e forma un catione con una carica 2+, e così via. Per esempio, un atomo di calcio neutro, con 20 protoni e 20 elettroni, perde facilmente due elettroni. Ne risulta un catione con 20 protoni, 18 elettroni e una carica 2+. Ha lo stesso numero di elettroni degli atomi del gas nobile precedente, l’argon, ed è simboleggiato Ca2+. Il nome di uno ione metallico è lo stesso del nome dell’atomo di metallo da cui si forma, così Ca2+ è chiamato ione calcio.

Quando gli atomi di elementi non metallici formano ioni, generalmente guadagnano abbastanza elettroni per dare loro lo stesso numero di elettroni di un atomo del gas nobile successivo nella tavola periodica. Gli atomi del gruppo 17 guadagnano un elettrone e formano anioni con una carica 1; gli atomi del gruppo 16 guadagnano due elettroni e formano ioni con una carica 2, e così via. Per esempio, l’atomo di bromo neutro, con 35 protoni e 35 elettroni, può guadagnare un elettrone per fornire 36 elettroni. Questo si traduce in un anione con 35 protoni, 36 elettroni e una carica 1-. Ha lo stesso numero di elettroni degli atomi del gas nobile successivo, il krypton, ed è simboleggiato Br-. (Una discussione della teoria che supporta lo status favorito dei numeri di elettroni dei gas nobili che si riflette in queste regole predittive per la formazione degli ioni è fornita in un capitolo successivo di questo testo.)

Nota l’utilità della tavola periodica nel predire la probabile formazione di ioni e la carica (Figura 2). Spostandosi dall’estrema sinistra alla destra della tavola periodica, gli elementi del gruppo principale tendono a formare cationi con una carica uguale al numero del gruppo. Cioè, gli elementi del gruppo 1 formano ioni 1+; gli elementi del gruppo 2 formano ioni 2+, e così via. Spostandosi dall’estrema destra alla sinistra della tavola periodica, gli elementi formano spesso anioni con una carica negativa pari al numero di gruppi spostati a sinistra dai gas nobili. Per esempio, gli elementi del gruppo 17 (un gruppo a sinistra dei gas nobili) formano 1- ioni; gli elementi del gruppo 16 (due gruppi a sinistra) formano 2- ioni, e così via. Questa tendenza può essere usata come guida in molti casi, ma il suo valore predittivo diminuisce quando ci si sposta verso il centro della tavola periodica. Infatti, i metalli di transizione e alcuni altri metalli spesso mostrano cariche variabili che non sono prevedibili dalla loro posizione nella tabella. Per esempio, il rame può formare ioni con una carica 1+ o 2+, e il ferro può formare ioni con una carica 2+ o 3+.

Figura 2. Alcuni elementi mostrano un modello regolare di carica ionica quando formano ioni.

La natura delle forze attrattive che tengono insieme atomi o ioni in un composto è la base per classificare il legame chimico. Quando si trasferiscono elettroni e si formano ioni, si creano legami ionici. I legami ionici sono forze di attrazione elettrostatica, cioè le forze attrattive sperimentate tra oggetti di carica elettrica opposta (in questo caso, cationi e anioni). Quando gli elettroni sono “condivisi” e si formano molecole, si formano legami covalenti. I legami covalenti sono le forze di attrazione tra i nuclei caricati positivamente degli atomi legati e una o più coppie di elettroni che si trovano tra gli atomi. I composti sono classificati come ionici o molecolari (covalenti) sulla base dei legami presenti in essi.

Composti ionici

Quando un elemento composto da atomi che perdono facilmente elettroni (un metallo) reagisce con un elemento composto da atomi che guadagnano facilmente elettroni (un non metallo), un trasferimento di elettroni di solito avviene, producendo ioni. Il composto formato da questo trasferimento è stabilizzato dalle attrazioni elettrostatiche (legami ionici) tra gli ioni di carica opposta presenti nel composto. Per esempio, quando ogni atomo di sodio in un campione di sodio metallico (gruppo 1) cede un elettrone per formare un catione sodio, Na+, e ogni atomo di cloro in un campione di cloro gassoso (gruppo 17) accetta un elettrone per formare un anione cloruro, Cl-, il composto risultante, NaCl, è composto da ioni sodio e ioni cloruro nel rapporto di uno ione Na+ per ogni ione Cl-. Allo stesso modo, ogni atomo di calcio (gruppo 2) può cedere due elettroni e trasferirne uno a ciascuno dei due atomi di cloro per formare CaCl2, che è composto da ioni Ca2+ e Cl- nel rapporto di uno ione Ca2+ per due ioni Cl-.

Un composto che contiene ioni ed è tenuto insieme da legami ionici è chiamato un composto ionico. La tavola periodica può aiutarci a riconoscere molti dei composti che sono ionici: Quando un metallo è combinato con uno o più non metalli, il composto è solitamente ionico. Questa linea guida funziona bene per prevedere la formazione di composti ionici per la maggior parte dei composti tipicamente incontrati in un corso di chimica introduttivo. Tuttavia, non è sempre vero (per esempio, il cloruro di alluminio, AlCl3, non è ionico).

Puoi spesso riconoscere i composti ionici a causa delle loro proprietà. I composti ionici sono solidi che tipicamente fondono ad alte temperature e bollono a temperature ancora più alte. Per esempio, il cloruro di sodio fonde a 801 °C e bolle a 1413 °C. (Come confronto, il composto molecolare acqua fonde a 0 °C e bolle a 100 °C). In forma solida, un composto ionico non è elettricamente conduttivo perché i suoi ioni non sono in grado di scorrere (“elettricità” è il flusso di particelle cariche). Quando è fuso, tuttavia, può condurre elettricità perché i suoi ioni sono in grado di muoversi liberamente attraverso il liquido (Figura 3).

Figura 3. Il cloruro di sodio fonde a 801 °C e conduce elettricità quando è fuso. (credito: modifica del lavoro di Mark Blaser e Matt Evans)

Composti molecolari

Molti composti non contengono ioni ma sono costituiti esclusivamente da molecole discrete e neutre. Questi composti molecolari (composti covalenti) risultano quando gli atomi condividono, piuttosto che trasferire (guadagnare o perdere), gli elettroni. Il legame covalente è un concetto importante ed esteso in chimica, e sarà trattato in modo molto dettagliato in un capitolo successivo di questo testo. Possiamo spesso identificare i composti molecolari sulla base delle loro proprietà fisiche. In condizioni normali, i composti molecolari spesso esistono come gas, liquidi basso-bollenti e solidi basso-fondenti, anche se esistono molte importanti eccezioni.

Se i composti ionici si formano solitamente quando un metallo e un non metallo si combinano, i composti covalenti sono solitamente formati da una combinazione di non metalli. Così, la tavola periodica può aiutarci a riconoscere molti dei composti che sono covalenti. Mentre possiamo usare le posizioni degli elementi di un composto nella tavola periodica per predire se è ionico o covalente a questo punto del nostro studio della chimica, dovresti essere consapevole che questo è un approccio molto semplicistico che non tiene conto di una serie di eccezioni interessanti. Esistono sfumature di grigio tra i composti ionici e quelli molecolari, e ne imparerai di più in seguito.

Glossario

legame covalente: forza attrattiva tra i nuclei degli atomi di una molecola e le coppie di elettroni tra gli atomi

composto covalente: (anche, composto molecolare) composto di molecole formate da atomi di due o più elementi diversi

legame ionico: forze di attrazione elettrostatica tra gli ioni di carica opposta di un composto ionico

composto ionico: composto composto composto da cationi e anioni combinati in rapporti, che produce una sostanza elettricamente neutra

composto molecolare: (anche, composto covalente) composto di molecole formate da atomi di due o più elementi diversi

ione monoatomico: ione composto da un singolo atomo

.