FORMULE CHIMICHE e Nomenclatura

Una formula chimica cerca di indicare in maniera concisa e simbolica una certa sostanza, includendo il rapporto numerico tra gli atomi dei diversi elementi che la compongono nella molecola o nel cristallo (ionico o covalente).
Alla sostanza (o alla formula) bisogna assegnare un nome. Molte sostanze erano note da prima che si conoscesse la loro formula chimica. Il nome che veniva assegnato a queste sostanze derivava dalla fantasia, dal colore o da altre proprietà particolari: per molte di esse, alla formula rappresentativa oggi si associa il nome già predisposto in passato (nome corrente) che spesso è differente nelle diverse lingue nazionali.
Ben presto ci si avvide della necessità di assegnare un nome sistematico alle sostanze chimiche e di predisporre un insieme di regole univoche di nomenclatura (rimane irrisolto il problema delle lingue nazionali).

E' praticamente impossibile, dalla formula chimica, prevedere o associare alla sostanza cui essa si riferisce, tutte le proprietà che si vorrebbero. Il comportamento chimico di ogni singola sostanza o, almeno, di determinate famiglie di sostanze va studiato sistematicamente e riguarda gli approfondimenti di Chimica Inorganica e non certamente questa sede. Per questo motivo mi sembra fuori luogo se non impossibile trattare l'argomento "NOMENCLATURA" pensando di essere rigorosi sulle caratteristiche chimiche e chimico-fisiche delle sostanze di cui, alla fine, per molte di esse si conosce solo il nome.

ESEMPI (in italiano):

Formula nome corrente nome sistematico note (rapporto stechiometrico)
H2O acqua ossido di diidrogeno liquido con legame H (2:1)
NaCl sale da cucina cloruro di sodio solido ionico (1:1)
SiO2 Quarzo,
Tridimite,
Cristobalite
diossido di silicio solido a reticolo covalente (1:2)

 

Numero di ossidazione

Il numero o grado di ossidazione si può definire come:

"La carica che assumerebbe un elemento in un composto, se si attribuissero gli elettroni di legame all'elemento più elettronegativo".

(a) Nel caso di un legame fra due atomi uguali si assegna un elettrone a ciascun elemento (nessun conteggio di carica).
(b) La carica che l'elemento "assume", si determina dal confronto con la configurazione elettronica esterna dell'elemento, nel suo stato fondamentale.

Regole generali per assegnare i numeri di ossidazione

Quando si è in grado di rappresentare la formula di struttura di un composto, il conteggio dei legami, tenendo conto delle differenze di elettronegatività, permette di determinare lo stato di ossidazione di un atomo nella molecola, e quindi lo stato di ossidazione medio di ogni elemento costituente la sostanza. In caso contrario ci si può affidare alle seguenti semplici regole.

  1. Gli atomi degli elementi allo stato fondamentale hanno numero di ossidazione zero.
  2. Negli ioni monoatomici semplici il numero di ossidazione coincide con la carica (valenza ionica) dello ione.
  3. La somma algebrica dei numeri di ossidazione degli elementi di un composto deve risultare pari alla carica del composto: zero se il composto è una specie neutra.
  4. Il fluoro nei composti ha sempre numero di ossidazione -1.
  5. L'idrogeno nei composti ha sempre numero di ossidazione +1, tranne che negli idruri metallici (-1)
  6. L'ossigeno nei composti ha sempre numero di ossidazione -2, tranne nell'ossido di fluoro (+2), nei perossidi (-1) e nei superossidi (-1/2).

I numeri di ossidazione più comuni

 

OSSIDI

Sono i composti binari tra elemento e ossigeno. Possono essere sostanze di natura ionica o covalente.

Negli ossidi, l'Ossigeno ha sempre numero di ossidazione (-2) tranne in di F2O (+2).

Gli ossidi dei non metalli sono quelle sostanze definite anidridi (femminile). Il termine anidride è obsoleto ed è stato deprecato, ma viene tuttora utilizzato per alcuni ossidi come ad esempio: CO2 (anidride carbonica), SO2 (anidride solforosa), SO3 (anidride solforica).

Ossidi propriamente detti
(ossidi basici)
Anidridi
(ossidi acidi)
ELEMENTO METALLICO + Ossigeno
ELEMENTO NON METALLICO + Ossigeno
Gli ossidi della maggior parte dei metalli hanno proprietà basiche.
Reagendo con l'acqua (talvolta solo formalmente) generano idrossidi.
Gli ossidi dei metalli del I e del II gruppo hanno caratteristiche spiccatamente ioniche.
Gli ossidi dei non metalli hanno proprietà acide.
La maggior parte di essi, reagendo con l'acqua (talvolta solo formalmente), generano infatti acidi ossigenati (detti ossiacidi).
Questi ossidi sono sostanze che tipicamente, presentano legami covalenti.

Alcuni elementi danno ossidi con proprietà anfotere, ovvero possono avere caratteristiche acide o basiche. La natura acido-base di un ossido (specialmente di metalli di transizione e di semimetalli) può infatti variare dal basico all'acido all'aumentare del grado di ossidazione dell'elemento.
Un esempio classico è quello del cromo, il cui ossido è acido quando il numero di ossidazione è +6, ed è basico o anfotero quando il numero di ossidazione è +2 (instabile) o +3. Anche il manganese presenta proprietà simili (vedi al seguente link "tabelle di nomenclatura").

NOMENCLATURA DEGLI OSSIDI
    La più vecchia viene detta tradizionale; ricca di suffissi e prefissi nel caso in cui l'elemento possiede più stati di ossidazione e, soprattutto, prevede la distinzione tra ossidi e anidridi.
    C'è poi la notazione Stock; se l'elemento possiede più stati di ossidazione, prevede l'utilizzo del numero di ossidazione scritto in numero romano tra parentesi e senza spazio separatore.
    Infine la notazione razionale IUPAC che impone l'utilizzo dei prefissi mono-, di-, tri- tetra-, penta- etc. per indicare il numero degli elementi che compongono l'ossido (il prefisso mono può essere tralasciato). Viene anche detta "nomenclatura del conto tutto" ma non distingue tra le proprietà acide o basiche, tra ossidi, perossidi e superossidi. Le ultime raccomandazioni IUPAC da me lette risalgono al 2004; permettono ed includono la nomenclatura Stock ed aggiungono anche la possibilità di indicare, tra parentesi e senza spazio separatore, lo stato di ossidazione con segno.
Nella tabella che segue ho indicato nella prima parte gli ossidi dei metalli, nella seconda parte gli ossidi dei metalli di transizione e, nella terza parte gli ossidi dei non metalli. In tutti e tre i casi ho seguito l'ordine presente nella tabella periodica. Posizionando il puntatore del mouse sulla formula dell'ossido viene fornita una breve nota sul suo stato fisico. NOTA: alcuni ossidi contengono lo stesso elemento con stati di ossidazione diverso.

Formule e nomi di ossidi comuni
Alcune formule minime non corrispondono a reali formule molecolari, e talvolta neppure a composti isolabili.
Formula razionale IUPAC (1) Stock tradizionale n.o.
H2O ossido di diidrogeno ossido di idrogeno acqua +1
Li2O ossido di dilitio ossido di litio ossido di litio +1
Na2O ossido di disodio ossido di sodio ossido di sodio +1
K2O ossido di dipotassio ossido di potassio ossido di potassio +1
Rb2O ossido di dirubidio ossido di rubidio ossido di rubidio +1
Cs2O ossido di diicesio ossido di cesio ossido di cesio +1
BeO ossido di berillio ossido di berillio ossido di berillio +2
MgO ossido di magnesio ossido di magnesio ossido di magnesio +2
CaO ossido di calcio ossido di calcio ossido di calcio +2
SrO ossido di stronzio ossido di stronzio ossido di stronzio +2
BaO ossido di bario ossido di bario ossido di bario +2
Al2O3 triossido di dialluminio ossido di alluminio ossido di alluminio +3
Ga2O3 triossido di digallio ossido di gallio ossido di gallio +3
SnO ossido di stagno ossido di stagno(II) ossido stannoso +2
SnO2 diossido di stagno ossido di stagno(IV) ossido stannico +4
PbO ossido di piombo ossido di piombo(II) ossido piomboso +2
PbO2 diossido di piombo ossido di piombo(IV) ossido piombico +4
Pb3O4 Tetrossido di tripiombo ossido di piombo(II,IV) minio: 2PbO·PbO2  
  OSSIDI DI ALCUNI ELEMENTI DI TRANSIZIONE    
FeO ossido di ferro ossido di ferro(II) ossido ferroso +2
Fe2O3 triossido di diferro ossido di ferro(III) ossido ferrico +3
Fe3O4 tetrossido di triferro ossido di ferro(II,III) magnetite: FeO·Fe2O3  
CoO ossido di cobalto ossido di cobalto(II) ossido cobaltoso +2
Co2O3 triossido di dicobalto ossido di cobalto(III) ossido cobaltico (3) +3
Co3O4 tetrossido di tricobalto ossido di cobalto(II,III) CoO·Co2O3  
NiO ossido di nichel ossido di nichel(II) ossido nicheloso +2
Ni2O3 triossido di dinichel ossido di nichel(III) ossido nichelico (2) +2
Cu2O monossido di dirame ossido di rame(I) ossido rameoso +1
CuO ossido di rame ossido di rame(II) ossido rameico +2
CrO ossido di cromo ossido di cromo(II) ossido cromoso +2
Cr2O3 triossido di dicromo ossido di cromo(III) ossido cromico +3
CrO3 triossido di cromo ossido di cromo(VI) anidride cromica +6
MnO ossido di manganese ossido di manganese(II) ossido manganoso +2
Mn2O3 triossido di dimanganese ossido di manganese(III) ossido manganico +3
Mn3O4 tetrossido di trimanganese oss. di manganese(II,III) MnO·Mn2O3  
MnO2 diossido di manganese ossido di manganese(IV) diossido di manganese +4
Mn2O7 eptaossido di manganese ossido di manganese(VII) anidride permanganica +7
ZnO ossido di zinco ossido di zinco ossido di zinco +2
Ag2O ossido di diargento ossido di argento ossido di argento +1
Hg2O ossido di dimercurio ossido di mercurio(I) ossido mercuroso (2) +1
HgO ossido di mercurio ossido di mercurio(II) ossido mercurico +2
  OSSIDI DI ALCUNI ELEMENTI NON METALLICI    
B2O3 triossido di diboro ossido di boro(III) anidride borica +3
CO (mon)ossido di carbonio ossido di carbonio(II) ossido di carbonio +2
CO2 diossido di carbonio ossido di carbonio(IV) anidride carbonica +4
SiO (mon)ossido di silicio ossido di silicio(II) ossido di silicio +2
SiO2 diossido di silicio
Jmol view   JSmol view
ossido di silicio(IV) anidride silicica (silice) +4
N2O ossido di diazoto ossido di azoto(I) protossido di azoto
ossido nitroso
+1
NO ossido di azoto ossido di azoto(II) ossido di azoto
ossido nitrico
+2
N2O3 triossido di diazoto ossido di azoto(III) anidride nitrosa +3
NO2
N2O4
diossido di azoto monomero
tetrossido di diazoto dimero
ossido di azoto(IV) anidride nitroso-nitrica +4
N2O5 pentossido di diazoto ossido di azoto(V) anidride nitrica +5
P2O3 triossido di difosforo
Jmol view   JSmol view
ossido di fosforo(III) anidride fosforosa +3
P2O5 pentossido di difosforo
Jmol view   JSmol view
ossdido di fosforo(V) anidride fosforica +5
As2O3 triossido di diarsenico ossido di arsenico(III) anidride arseniosa +3
As2O5 pentossido di diarsenico ossdido di arsenico(V) anidride arsenica +5
SO ossido di zolfo ossido di zolfo(II) ossido di zolfo +2
SO2 diossido di zolfo ossido di zolfo(IV) anidride solforosa +4
SO3 triossido di zolfo ossido di zolfo(VI) anidride solforica +6
SeO2 diossido di selenio ossido di selenio(IV) anidride selenosa +4
SeO3 triossido di selenio ossido di selenio(VI) anidride selenica +6
F2O ossido di difluoro ossido di fluoro(I) anidride fluorica -1
Cl2O ossido di dicloro ossido di cloro(I) anidride ipo-clor-osa +1
Cl2O3 triossido di dicloro ossido di cloro(III) anidride clor-osa (2) +3
Cl2O5 pentossido di dicloro ossido di cloro(V) anidride clor-ica (2) +5
Cl2O7 eptossido di dicloro ossido di cloro(VII) anidride per-clor-ica +7

(1)    è corretta la notazione anglofona, (es. N2O: diazoto monossido).
(2)  composti instabili o non isolabili o non facilmente isolabili (vedi le tabelle di nomenclatura).
(3) preparato in forma mista con il CoO.
Per gli stati di ossidazione del cromo e del manganese vedi la tabella completa di nomenclatura.

NOTA: gli ossidi di azoto, in inglese, assumono nomi la cui traduzione dei primi due è curiosa
N2O nitrous oxide
NO nitric oxide
N2O3 dinitrogen trioxide
NO2 nitrogen dioxide (dimer: dinitrogen tetroxide)
N2O5 dinitrogen pentoxide

 

Perossidi

Sono i composti contenenti il gruppo perossido (-O-O-) che presenta un legame singolo tra due atomi di ossigeno.

Nei perossidi, l'ossigeno (bivalente) ha numero di ossidazione (-1).

      Possono essere sostanze covalenti (ad esempio, perossido di idrogeno o acqua ossigenata, H2O2)
o ioniche (con i metalli, ad esempio, perossido di sodio, Na2O2, perossido di calcio, CaO2); in questi ultimi, il gruppo perossido è ovviamente presente in forma ionica: O22-
La nomenclatura IUPAC permette di chiamarli esattamente come gli ossidi. Noi li chiameremo perossidi o useremo il nome corrente.

 

Superossidi

Sono generalmente composti ionici contenenti lo ione radicale superossido: (O2-) del quale abbiamo già studiato il riempimento degli orbitali molecolari.

Nei superossidi, l'Ossigeno ha numero di ossidazione (-1/2).
La nomenclatura IUPAC permette di chiamarli esattamente come gli ossidi. Noi li chiameremo superossidi o useremo il nome corrente.

 

Idrossidi

Sono composti ternari formati da IDROGENO, OSSIGENO e un metallo

Si possono considerare derivati formalmente della reazione tra un ossido basico (metallo-ossigeno) e l'acqua. Ho aggiunto "formalmente" perché in molti casi la reazione nella pratica non avviene, e l'idrossido viene ottenuto per altra via.
Si scrivono premettendo il metallo seguito da tanti gruppi OH quanto è la valenza del metallo, secondo lo schema M(OH)n, metallo - ione idrossido. Si possono definire come composti formati da un metallo e ioni OH- (idrossido; il termine ossidrile è obsoleto) allo scopo di metterne in evidenza la natura ionica e basica anche se spesso la loro struttura può essere diversa in funzione del metallo. Così, ad esempio, le specie che possiamo indicare come Fe(OH)3 o Pb(OH)2, sono in realtà composti più complessi (approfondimenti di Chimica Inorganica).

Esempi:
      Na2O + H2O 2 NaOH
      CaO + H2O Ca(OH)2
      Al2O3 + 3 H2O 2 Al(OH)3 (reazione formale)

Nella tabella che segue posizionando il puntatore del mouse sulla formula dell'idrossido viene fornita una breve nota sul suo stato fisico.

Formule e nomi di idrossidi comuni
Formula razionale IUPAC (*) Stock tradizionale n.o.
LiOH idrossido di litio idrossido di litio idrossido di litio +1
NaOH idrossido di sodio Idrossido di sodio Idrossido di sodio
(soda caustica)
+1
KOH idrossido di potassio idrossido di potassio idrossido di potassio
(potassa caustica)
+1
Mg(OH)2 diidrossido di magnesio idrossido di magnesio idrossido di magnesio +2
Ca(OH)2 diidrossido di calcio idrossido di calcio idrossido di calcio +2
Ba(OH)2 diidrossido di bario idrossido di bario idrossido di bario +2
Al(OH)3 triidrossido di alluminio idrossido di alluminio idrossido di alluminio +3
Zn(OH)2 diidrossido di zinco idrossido di zinco idrossido di zinco +2
Fe(OH)2 diidrossido di ferro idrossido di ferro(II) idrossido ferroso +2
Fe(OH)3 triidrossido di ferro idrossido di ferro(III) idrossido ferrico +3
Sn(OH)2 diidrossido di stagno idrossido di stagno(II) idrossido stannoso +2
Sn(OH)4 tetraidrossido di stagno idrossido di stagno(IV) idrossido stannico +4

(*) è corretta la notazione anglofona, (es. Fe(OH)3: ferro triidrossido).

Gli idrossidi dei metalli alcalini (gruppo I) sono tipiche basi forti.
Gli idrossidi dei metalli alcalino-terrosi (gruppo II) sono basi forti ma poco solubili.
Idrossidi come Al(OH)3 o Zn(OH)2 e altri hanno un comportamento anfotero.