Obiettivi di apprendimento
- Scrivere la formula chimica di un composto ionico semplice.
- Riconoscere gli ioni poliatomici nelle formule chimiche.
Abbiamo già incontrato alcune formule chimiche di composti ionici semplici. Una formula chimica è una lista concisa degli elementi in un composto e i rapporti di questi elementi. Per capire meglio cosa significa una formula chimica, dobbiamo considerare come un composto ionico è costruito dai suoi ioni.
I composti ionici esistono come alternanza di ioni positivi e negativi in matrici regolari e tridimensionali chiamate cristalli (Figura \(\PageIndex{1}). Come puoi vedere, non ci sono “particelle” individuali nella matrice; invece, c’è un reticolo continuo di ioni di sodio e cloruro alternati. Tuttavia, possiamo usare il rapporto tra ioni sodio e ioni cloruro, espresso nei numeri interi più bassi possibili, come un modo per descrivere il composto. Nel caso del cloruro di sodio, il rapporto tra ioni sodio e ioni cloruro, espresso in numeri interi più bassi, è 1:1, quindi usiamo \(\ce{NaCl}} (un simbolo \ce{Na}} e un simbolo \ce{Cl}}) per rappresentare il composto. Così, \(\ce{NaCl}) è la formula chimica per il cloruro di sodio, che è un modo conciso di descrivere il numero relativo di ioni diversi nel composto. Un campione macroscopico è composto da miriadi di coppie di NaCl; ogni singola coppia è chiamata unità di formula. Anche se è conveniente pensare che i cristalli di \ce{NaCl} siano composti da singole unità di \ce{NaCl}, la figura \PageIndex{1} mostra che nessun singolo ione è associato esclusivamente ad un altro singolo ione. Ogni ione è circondato da ioni di carica opposta.
La formula di un composto ionico segue diverse convenzioni. In primo luogo, il catione è scritto prima dell’anione. Poiché la maggior parte dei metalli forma cationi e la maggior parte dei non metalli forma anioni, le formule tipicamente elencano prima il metallo e poi il non metallo. In secondo luogo, le cariche non sono scritte in una formula. Ricordate che in un composto ionico, le specie componenti sono ioni, non atomi neutri, anche se la formula non contiene cariche. Infine, la formula corretta per un composto ionico ha sempre una carica netta zero, cioè la carica positiva totale deve essere uguale alla carica negativa totale. Per determinare la formula corretta di qualsiasi combinazione di ioni, determinare quanti di ogni ione sono necessari per bilanciare il totale delle cariche positive e negative nel composto.
Questa regola si basa in definitiva sul fatto che la materia è, nel complesso, elettricamente neutra.
Per convenzione, assumiamo che ci sia un solo atomo se non è presente un pedice. Non usiamo 1 come pedice.
Se guardiamo il composto ionico formato da ioni litio e ioni bromuro, vediamo che lo ione litio ha una carica 1+ e lo ione bromuro ha una carica 1-. Solo uno ione di ciascuno è necessario per bilanciare queste cariche. La formula per il bromuro di litio è \(\ce{LiBr}\).
Quando un composto ionico è formato da magnesio e ossigeno, lo ione di magnesio ha una carica 2+ e l’atomo di ossigeno ha una carica 2-. Anche se entrambi questi ioni hanno cariche più alte degli ioni nel bromuro di litio, si bilanciano comunque in un rapporto uno a uno. Pertanto, la formula corretta per questo composto ionico è \(\ce{MgO}\).
Pensiamo ora al composto ionico formato da magnesio e cloro. Uno ione di magnesio ha una carica 2+, mentre uno ione di cloro ha una carica 1:
Combinando uno ione di ciascuno non si equilibrano completamente le cariche positive e negative. Il modo più semplice per bilanciare queste cariche è assumere la presenza di due ioni cloruro per ogni ione di magnesio:
Ora le cariche positive e negative sono bilanciate. Potremmo scrivere la formula chimica per questo composto ionico come \(\ce{MgClCl}), ma la convenzione è di usare un pedice numerico quando c’è più di uno ione di un dato tipo-(\ce{MgCl2}). Questa formula chimica dice che ci sono uno ione magnesio e due ioni cloruro in questa formula. (Non leggere la parte “Cl2” della formula come una molecola del cloro elementare biatomico. Il cloro non esiste come elemento biatomico in questo composto. Piuttosto, esiste come due ioni cloruro individuali). Per convenzione, nelle formule dei composti ionici si usa il più basso rapporto di numeri interi. La formula \(\ce{Mg2Cl4}\) ha cariche bilanciate con gli ioni in un rapporto di 1:2, ma non è il più basso rapporto di numeri interi.
Per convenzione, il più basso rapporto di numeri interi degli ioni è usato nelle formule ioniche. Ci sono eccezioni per alcuni ioni, come ad esempio \ce{Hg2^{2+}}}.
Per i composti in cui il rapporto tra gli ioni non è così ovvio, i pedici nella formula possono essere ottenuti incrociando le cariche: usare il valore assoluto della carica su uno ione come pedice per l’altro ione. Questo metodo è mostrato schematicamente nella Figura 3.3.2.
Quando si incrociano le cariche, è talvolta necessario ridurre i pedici al loro rapporto più semplice per scrivere la formula empirica. Consideriamo, per esempio, il composto formato da Pb4+ e O2-. Usando i valori assoluti delle cariche sugli ioni come pedici si ottiene la formula Pb2O4. Questo si semplifica nella sua formula empirica corretta PbO2. La formula empirica ha uno ione Pb4+ e due ioni O2-.
Esempio \(\PageIndex{1})
Scrivi la formula chimica per un composto ionico composto da ogni coppia di ioni.
- lo ione sodio e lo ione zolfo
- lo ione alluminio e lo ione fluoruro
- lo ione ferro 3+ e lo ione ossigeno
Soluzione
- Per ottenere un ottetto di valenza, il sodio forma uno ione con una carica 1+, mentre lo ione zolfo ha una carica 2. Sono necessari due ioni 1+ di sodio per bilanciare la carica 2 dello ione zolfo. Piuttosto che scrivere la formula come \(\ce{NaNaS}), la abbreviamo per convenzione in \(\ce{Na2S}).
- Lo ione alluminio ha una carica 3+, mentre lo ione fluoro formato dal fluoro ha una carica 1-. Tre ioni fluoro 1- sono necessari per bilanciare la carica 3+ sullo ione alluminio. Questa combinazione è scritta come \(\ce{AlF3}\).
- Il ferro può formare due possibili ioni, ma lo ione con una carica 3+ è specificato qui. L’atomo di ossigeno ha una carica 2 come ione. Per bilanciare le cariche positive e negative, guardiamo al minimo comune multiplo-6: due ioni ferro 3+ daranno 6+, mentre tre ioni ossigeno 2- daranno 6-, bilanciando così le cariche positive e negative complessive. Così, la formula per questo composto ionico è \(\ce{Fe2O3}\). In alternativa, usa il metodo delle cariche incrociate mostrato nella Figura 3.3.2.
Esercizio \(\PageIndex{1})
Scrivi la formula chimica per un composto ionico composto da ogni coppia di ioni.
- lo ione calcio e lo ione ossigeno
- lo ione rame 2+ e lo ione zolfo
- lo ione rame 1+ e lo ione zolfo
Rispondi a:
CaO
Risposta b:
CuS
Risposta c:
Cu2S
Ioni poliatomici
Alcuni ioni sono costituiti da gruppi di atomi legati covalentemente tra loro e hanno una carica elettrica complessiva. Poiché questi ioni contengono più di un atomo, sono chiamati ioni poliatomici. Le strutture di Lewis, i nomi e le formule di alcuni ioni poliatomici si trovano nella Tabella 3.3.1.
Table \(\PageIndex{1}): Alcuni ioni poliatomici
Gli ioni poliatomici hanno formule, nomi e cariche definite che non possono essere modificate in alcun modo. La tabella \(\PageIndex{2}}) elenca i nomi degli ioni e le formule degli ioni poliatomici più comuni. Per esempio, \ce{NO3^{-}} è lo ione nitrato; ha un atomo di azoto e tre atomi di ossigeno e una carica complessiva di 1. La figura \(\PageIndex{2}}) elenca gli ioni poliatomici più comuni.
| Nome dello ione | Formula dello ione |
|---|---|
| ione ammonio | NH4+1 |
| ione idrossido | OH-1 |
| ione cianuro | CN-1 |
| ione carbonato | CO3-2 |
| bicarbonato o idrogenocarbonato | HCO3- |
| acetato ione | C2H3O2-1 o CH3CO2-1 |
| ione nitrato | NO3-1 |
| ione nitrito | NO2-1 |
| ione solfato | SO4-2 |
| ione solfito | SO3-2 |
| ione fosfato | PO4-3 |
| ione fosfito | PO3-3 |
Nota che solo uno ione poliatomico in questa tabella, lo ione ammonio (NH4+1), è un catione. Questo ione poliatomico contiene un azoto e quattro idrogeni che portano collettivamente una carica +1. I restanti ioni poliatomici sono tutti caricati negativamente e, pertanto, sono classificati come anioni. Tuttavia, solo due di questi, lo ione idrossido e lo ione cianuro, sono nominati usando il suffisso “-ide” che è tipicamente indicativo delle particelle con carica negativa. I restanti anioni poliatomici, che contengono tutti ossigeno, in combinazione con un altro non-metallo, esistono come parte di una serie in cui il numero di ossigeni all’interno dell’unità poliatomica può variare. Come è stato ripetutamente sottolineato in diverse sezioni di questo testo, due formule chimiche non dovrebbero avere un nome chimico comune. Un singolo suffisso, “-ide”, è insufficiente per distinguere i nomi degli anioni in una serie poliatomica correlata. Pertanto, vengono impiegati i suffissi “-ate” e “-ite” per indicare che gli ioni poliatomici corrispondenti fanno parte di una serie. Inoltre, questi suffissi indicano anche il numero relativo di ossigeni che sono contenuti negli ioni poliatomici. Si noti che tutti gli ioni poliatomici i cui nomi finiscono in “-ate” contengono un ossigeno in più rispetto agli anioni poliatomici i cui nomi finiscono in “-ite”. Sfortunatamente, proprio come il sistema comune per nominare i metalli di transizione, questi suffissi indicano solo il numero relativo di ossigeni che sono contenuti negli ioni poliatomici. Per esempio, lo ione nitrato, che è simbolizzato come NO3-1, ha un ossigeno in più dello ione nitrito, che è simbolizzato come NO2-1. Tuttavia, lo ione solfato è simbolizzato come SO4-2. Mentre sia lo ione nitrato che lo ione solfato condividono un suffisso “-ate”, il primo contiene tre ossigeni, ma il secondo ne contiene quattro. Inoltre, sia lo ione nitrato che lo ione solfito contengono tre ossigeni, ma questi ioni poliatomici non condividono un suffisso comune. Sfortunatamente, la natura relativa di questi suffissi impone che le combinazioni formula ionica/nome dello ione degli ioni poliatomici debbano essere semplicemente memorizzate.
La regola per costruire le formule per i composti ionici contenenti ioni poliatomici è la stessa delle formule contenenti ioni monoatomici (monoatomo): le cariche positive e negative devono bilanciarsi. Se più di uno di un particolare ione poliatomico è necessario per bilanciare la carica, l’intera formula per lo ione poliatomico deve essere racchiusa tra parentesi, e il pedice numerico è posto fuori dalle parentesi. Questo per mostrare che il pedice si applica all’intero ione poliatomico. Due esempi sono mostrati qui sotto:
Esempio \(\PageIndex{2})
Scrivi la formula chimica per un composto ionico composto da ogni coppia di ioni.
- lo ione potassio e lo ione solfato
- lo ione calcio e lo ione nitrato
Soluzione
- Gli ioni potassio hanno carica 1+, mentre gli ioni solfato hanno carica 2-. Avremo bisogno di due ioni di potassio per bilanciare la carica dello ione solfato, quindi la formula chimica corretta è \(\ce{K_2SO_4}).
- Gli ioni di calcio hanno una carica di 2+, mentre gli ioni di nitrato hanno una carica di 1-. Avremo bisogno di due ioni nitrato per bilanciare la carica di ogni ione calcio. La formula del nitrato deve essere racchiusa tra parentesi. Così, scriviamo \ce{Ca(NO3)2} come formula per questo composto ionico.
Esercizio \(\PageIndex{2})
Scrivi la formula chimica per un composto ionico composto da ogni coppia di ioni.
- lo ione magnesio e lo ione carbonato
- lo ione alluminio e lo ione acetato
Rispondi a:
Mg2+ e CO32- = MgCO3
Risposta b:
Al3+ e C2H3O2- = Al(C2H3O2)3
Riconoscere i composti ionici
Ci sono due modi per riconoscere i composti ionici. In primo luogo, i composti tra elementi metallici e non metallici sono di solito ionici. Per esempio, CaBr2 contiene un elemento metallico (calcio, un metallo del gruppo 2A) e un elemento non metallico (bromo, un non metallo del gruppo 7A). Pertanto, è molto probabilmente un composto ionico. Al contrario, il composto NO2 contiene due elementi che sono entrambi non metallici (azoto, dal gruppo 5A, e ossigeno, dal gruppo 6A). Non è un composto ionico; appartiene alla categoria dei composti covalenti discussi altrove. Nota anche che questa combinazione di azoto e ossigeno non ha una carica elettrica specificata, quindi non è lo ione nitrito.
In secondo luogo, se riconosci la formula di uno ione poliatomico in un composto, il composto è ionico. Per esempio, se vedi la formula \(\ce{Ba(NO3)2}\), puoi riconoscere la parte “NO3” come lo ione nitrato, \(\rm{NO_3^-}). (Ricorda che la convenzione per scrivere le formule per i composti ionici è di non includere la carica ionica). Questo è un indizio che l’altra parte della formula, \(\ce{Ba}}, è in realtà lo ione \(\ce{Ba^{2+}}), con la carica 2+ che bilancia la carica 2 complessiva dai due ioni nitrato. Quindi, anche questo composto è ionico.
Esempio \(\PageIndex{3})
Identifica ogni composto come ionico o non ionico.
- \li>(\ce{Na2O})
- (\ce{PCl3})
- (\ce{NH4Cl})
- (\ce{OF2})
Soluzione
- Il sodio è un metallo, e l’ossigeno è un non metallo; quindi, ci si aspetta che \(\ce{Na2O}) sia ionico.
- Sia il fosforo che il cloro sono non-metalli. Quindi, \(\ce{PCl3}}) non è ionico.
- Il \(\ce{NH4}) nella formula rappresenta lo ione ammonio, \(\ce{NH4^{+}}), che indica che questo composto è ionico.
- Entrambi l’ossigeno e il fluoro sono non metalli. Pertanto, \(\ce{OF2}}) non è ionico.
Esercizio \(\PageIndex{3})
Identifica ogni composto come ionico o non ionico.
- (\ce{N2O})
- (\ce{FeCl3})
- (\ce{(NH4)3PO4})
- (\ce{SOCl2})
Risposta a:
non ionico
Risposta b:
ionico
Risposta c:
ionico
Risposta d:
non ionico
Guardando più da vicino: Sangue e acqua di mare
La scienza ha riconosciuto da tempo che il sangue e l’acqua di mare hanno composizioni simili. Dopo tutto, entrambi i liquidi hanno composti ionici disciolti al loro interno. La somiglianza può essere più di una semplice coincidenza; molti scienziati pensano che le prime forme di vita sulla Terra siano nate negli oceani. Uno sguardo più attento, tuttavia, mostra che il sangue e l’acqua di mare sono molto diversi. Una soluzione allo 0,9% di cloruro di sodio si avvicina alla concentrazione di sale che si trova nel sangue. Al contrario, l’acqua di mare è principalmente una soluzione di cloruro di sodio al 3%, più di tre volte la concentrazione nel sangue. Ecco un confronto delle quantità di ioni nel sangue e nell’acqua di mare:
| Ione | Percentuale in acqua di mare | Percentuale nel sangue |
|---|---|---|
| Na+ | 2.36 | 0.322 |
| Cl- | 1.94 | 0.366 |
| Mg2+ | 0.13 | 0.002 |
| SO42- | 0.09 | – |
| K+ | 0.04 | 0.016 |
| Ca2+ | 0.04 | 0.0096 |
| HCO3- | 0.002 | 0.165 |
| HPO42-, H2PO4- | – | 0.01 |
La maggior parte degli ioni sono più abbondanti in acqua di mare che nel sangue, con alcune importanti eccezioni. Ci sono molti più ioni idrogeno carbonato (\ce{HCO3^{-}}) nel sangue che nell’acqua di mare. Questa differenza è significativa perché lo ione idrogeno carbonato e alcuni ioni correlati hanno un ruolo cruciale nel controllo delle proprietà acido-base del sangue. La quantità di ioni idrogeno fosfato -(\ce{HPO4^{2-}}) e \ce{H2PO4^{-}}} – nell’acqua di mare è molto bassa, ma sono presenti in quantità maggiori nel sangue, dove influenzano anche le proprietà acido-base. Un’altra differenza notevole è che il sangue non ha quantità significative dello ione solfato (\ce{SO4^{2-}}), ma questo ione è presente nell’acqua di mare.
Punti chiave
- Le formule chimiche corrette per i composti ionici equilibrano la carica positiva totale con la carica negativa totale.
- Esistono anche gruppi di atomi con una carica complessiva, chiamati ioni poliatomici.
EXERCISES
-
Quali informazioni sono contenute nella formula di un composto ionico?
-
Perché le formule chimiche di alcuni composti ionici contengono pedici, mentre altre no?
3. Scrivi la formula chimica del composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- Mg2+ e I-
- Na+ e O2-
4. Scrivi la formula chimica del composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- Na+ e Br-
- Mg2+ e Br-
- Mg2+ e S2-
5. Scrivi la formula chimica del composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- K+ e Cl-
- Mg2+ e Cl-
- Mg2+ e Se2-
6. Scrivi la formula chimica per il composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- Na+ e N3-
- Mg2+ e N3-
- Al3+ e S2-
7. Scrivi la formula chimica per il composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- Li+ e N3-
- Mg2+ e P3-
- Li+ e P3-
8. Scrivi la formula chimica per il composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- Fe3+ e Br-
- Fe2+ e Br-
- Au3+ e S2-
- Au+ e S2-
9. Scrivi la formula chimica per il composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- Cr3+ e O2-
- Cr2+ e O2-
- Pb2+ e Cl-
- Pb4+ e Cl-
10. Scrivi la formula chimica per il composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- Cr3+ e NO3-
- Fe2+ e PO43-
- Ca2+ e CrO42-
- Al3+ e OH-
11. Scrivi la formula chimica per il composto ionico formato da ogni coppia di ioni.
- NH4+ e NO3-
- H+ e Cr2O72-
- Cu+ e CO32-
- Na+ e HCO3-
12. Per ogni coppia di elementi, determina la carica per i loro ioni e scrivi la formula corretta per il composto ionico risultante tra loro.
- Ba e S
- Cs e I
13. Per ogni coppia di elementi, determina la carica per i loro ioni e scrivi la formula corretta per il composto ionico risultante tra loro.
- K e S
- Sc e Br
14. Quali composti diresti essere ionici?
- Li2O
- (NH4)2O
- CO2
- FeSO3
- C6H6
- C2H6O
15. Quali composti prevederesti essere ionici?
- Ba(OH)2
- CH2O
- NH2CONH2
- (NH4)2CrO4
- C8H18
- NH3
Risposte
1. il rapporto tra ciascun tipo di ione nel composto
2. A volte è necessario più di uno ione per bilanciare la carica dell’altro ione in un composto ionico.
- MgI2
- Na2O
- NaBr
- MgBr2
- MgS
- KCl
- MgCl2
- MgSe
- Na3N
- Mg3N2
- Al2S3
- Li3N
- Mg3P2
- Li3P
- FeBr3
- FeBr2
- Au2S3
- Au2S
- Cr2O3
- CrO
- PbCl2
- PbCl4
- Cr(NO3)3
- Fe3(PO4)2
- CaCrO4
- Al(OH)3
- NH4NO3
- H2Cr2O7
- Cu2CO3
- NaHCO3
- Ba2+, S2-, BaS
- Cs+, I-, CsI
- K+, S2-, K2S
- Sc3+, Br-, ScBr3
- ionico
- ionico
- non ionico
- ionico
- non ionico
- non ionico
- ionico
- non ionico
- non ionico
- ionico
- non ionico
- non ionico
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