In ordinarie reazioni chimiche, 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 atomi governano la chimica degli elementi. Durante la formazione di alcuni composti, gli atomi guadagnano o perdono elettroni e formano particelle cariche elettricamente chiamate ioni (Figura 1).

È possibile utilizzare la tavola periodica per prevedere se un atomo formerà un anione o un catione e spesso è possibile prevedere la carica dello resulting risultante., Gli atomi di molti metalli del gruppo principale perdono abbastanza elettroni da lasciarli con lo stesso numero di elettroni di un atomo del precedente gas nobile. 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. Ad esempio, un atomo di calcio neutro, con 20 protoni e 20 elettroni, perde facilmente due elettroni. Ciò si traduce in un catione con 20 protoni, 18 elettroni e una carica 2+., Ha lo stesso numero di elettroni degli atomi del precedente gas nobile, l’argon, ed è simboleggiato \text{Ca}^{2+}. Il nome di uno ion metallico è lo stesso del nome dell’atomo metallico da cui si forma, quindi \text{Ca}^{2+} è chiamato ion calcio.

Quando gli atomi di elementi non metallici formano ioni, generalmente guadagnano abbastanza elettroni da dare loro lo stesso numero di elettroni di un atomo del prossimo gas nobile 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., Ad esempio, l’atomo di bromo neutro, con 35 protoni e 35 elettroni, può ottenere un elettrone per fornirgli 36 elettroni. Ciò si traduce in un anione con 35 protoni, 36 elettroni e una carica 1. Ha lo stesso numero di elettroni degli atomi del prossimo gas nobile, krypton, ed è simboleggiato \text{Br}^{-}. (Una discussione della teoria che supporta lo stato favorito dei numeri di elettroni del gas nobile riflessa in queste regole predittive per la formazione di ioni è fornita in un modulo successivo di questo testo.,)

Si noti l’utilità della tavola periodica nel predire la probabile formazione di ioni e la carica (Figura 2). Spostandosi dall’estrema sinistra a destra sulla 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 1 + ioni; gli elementi del gruppo 2 formano 2+ ioni e così via. Spostandosi dall’estrema destra a sinistra sulla tavola periodica, gli elementi spesso formano anioni con una carica negativa pari al numero di gruppi spostati a sinistra dai gas nobili., Ad 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 utilizzata come guida in molti casi, ma il suo valore predittivo diminuisce quando si sposta verso il centro della tavola periodica. Infatti, i metalli di transizione e alcuni altri metalli spesso presentano cariche variabili che non sono prevedibili dalla loro posizione nella tabella. Ad 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 presentano un modello regolare di carica ionica quando formano ioni.

Gli ioni che abbiamo discusso finora sono chiamati ioni monatomici, cioè sono ioni formati da un solo atomo. Troviamo anche molti ioni poliatomici. Questi ioni, che agiscono come unità discrete, sono molecole cariche elettricamente (un gruppo di atomi legati con una carica complessiva)., Alcuni degli ioni poliatomici più importanti sono elencati nella Tabella 1. Gli ossianioni sono ioni poliatomici che contengono uno o più atomi di ossigeno. A questo punto nel tuo studio della chimica, dovresti memorizzare i nomi, le formule e le cariche degli ioni poliatomici più comuni. Poiché li userai ripetutamente, presto diventeranno familiari.

La natura delle forze attrattive che tengono insieme atomi o ioni all’interno di un composto è la base per classificare il legame chimico. Quando gli elettroni vengono trasferiti e gli ioni si formano, i legami ionici risultano., I legami ionici sono forze elettrostatiche di attrazione, cioè le forze attrattive sperimentate tra oggetti di carica elettrica opposta (in questo caso cationi e anioni). Quando gli elettroni sono “condivisi” e le molecole si formano, risultano legami covalenti. I legami covalenti sono le forze attrattive 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 metalloide), di solito si verifica un trasferimento di elettroni, 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 gas di cloro (gruppo 17) accetta un elettrone per formare un anione cloruro, Cl−, il composto ottenuto, NaCl, è composto da ioni sodio e ioni cloruro nel rapporto di Na+ ione per ogni Cl− ion. Allo stesso modo, ogni atomo di calcio (gruppo 2) può cedere due elettroni e trasferire uno a ciascuno dei due atomi di cloro per formare CaCl2, che è composto da Ca2+ e Cl− ioni nel rapporto di uno Ca Ca2+ a due Cl− ioni.,

Un composto che contiene ioni ed è tenuto insieme da legami ionici è chiamato 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 introduttivo di chimica. Tuttavia, non è sempre vero (ad esempio, il cloruro di alluminio, AlCl3, non è ionico).

È spesso possibile riconoscere i composti ionici a causa delle loro proprietà., I composti ionici sono solidi che in genere si sciolgono a temperature elevate e bollono a temperature ancora più elevate. Ad esempio, il cloruro di sodio si scioglie a 801 °C e bolle a 1413 °C. (Come confronto, l’acqua del composto molecolare si scioglie 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 fluire (“elettricità” è il flusso di particelle cariche). Quando 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 si scioglie a 801 °C e conduce elettricità quando fuso. (credito: modifica del lavoro di Mark Blaser e Matt Evans)

In ogni composto ionico, il numero totale di cariche positive dei cationi è uguale al numero totale di cariche negative degli anioni. Pertanto, i composti ionici sono complessivamente elettricamente neutri, anche se contengono ioni positivi e negativi. Possiamo usare questa osservazione per aiutarci a scrivere la formula di un composto ionico. La formula di un composto ionico deve avere un rapporto di ioni tale che il numero di cariche positive e negative siano uguali.,

Esempio 3: Predire la formula di un composto ionico

Lo zaffiro della pietra preziosa (Figura 4) è principalmente un composto di alluminio e ossigeno che contiene cationi di alluminio, Al3+ e anioni di ossigeno, O2−. Qual è la formula di questo composto?

Figura 4. Sebbene l’ossido di alluminio puro sia incolore, tracce di ferro e titanio conferiscono allo zaffiro blu il suo colore caratteristico., (credito: modifica del lavoro di Stanislav Doronenko)

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Poiché il composto ionico deve essere elettricamente neutro, deve avere lo stesso numero di cariche positive e negative. Due ioni di alluminio, ciascuno con una carica di 3+, ci darebbero sei cariche positive e tre ioni di ossido, ciascuno con una carica di 2 -, ci darebbero sei cariche negative. La formula sarebbe Al2O3.,

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Predire la formula del composto ionico formato tra il catione di sodio, Na+, e l’anione solfuro, S2−.

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Na2S

Composti molecolari

Molti composti non contengono ioni ma consistono esclusivamente di molecole discrete e neutre. Questi composti molecolari (composti covalenti) risultano quando gli atomi condividono, piuttosto che trasferire (guadagnare o perdere), elettroni. Il legame covalente è un concetto importante ed esteso in chimica, e sarà trattato in modo molto dettagliato in un modulo successivo di questo testo. Spesso possiamo identificare i composti molecolari sulla base delle loro proprietà fisiche., In condizioni normali, i composti molecolari spesso esistono come gas, liquidi a basso punto di ebollizione e solidi a basso punto di fusione, sebbene esistano molte eccezioni importanti.

Mentre i composti ionici si formano solitamente quando un metallo e un metalloide si combinano, i composti covalenti sono solitamente formati da una combinazione di non metalli. Pertanto, 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 prevedere se è ionico o covalente a questo punto nel nostro studio della chimica, dovresti essere consapevole che questo è un approccio molto semplicistico che non tiene conto di una serie di eccezioni interessanti. Sfumature di grigio esistono tra composti ionici e molecolari, e imparerai di più su quelli più tardi.,