CHEM 1305 Introducere în chimie

În reacțiile chimice obișnuite, nucleul fiecărui atom (și astfel identitatea elementului) rămâne neschimbată. Cu toate acestea, electronii pot fi adăugați la atomi prin transfer de la alți atomi, pierduți prin transfer la alți atomi sau împărțiți cu alți atomi. Transferul și schimbul de electroni între atomi guvernează chimia elementelor. În timpul formării unor compuși, atomii câștigă sau pierd electroni și formează particule încărcate electric numite ioni (figura 1).

Figura 1. (a) Un atom de sodiu (Na) are un număr egal de protoni și electroni (11) și nu este încărcat. (b) Un cation de sodiu (Na+) a pierdut un electron, astfel încât are cu un proton (11) mai mult decât electroni (10), ceea ce îi conferă o sarcină globală pozitivă, semnificată prin semnul plus supraevaluat.

Puteți utiliza tabelul periodic pentru a prezice dacă un atom va forma un anion sau un cation și, adesea, puteți prezice sarcina ionului rezultat. Atomii multor metale din grupa principală pierd suficienți electroni pentru a rămâne cu același număr de electroni ca un atom al gazului nobil precedent. Pentru a ilustra, un atom al unui metal alcalin (grupa 1) pierde un electron și formează un cation cu sarcina 1+; un metal alcalino-pământos (grupa 2) pierde doi electroni și formează un cation cu sarcina 2+ și așa mai departe. De exemplu, un atom neutru de calciu, cu 20 de protoni și 20 de electroni, pierde cu ușurință doi electroni. Astfel, rezultă un cation cu 20 de protoni, 18 electroni și o sarcină 2+. Acesta are același număr de electroni ca și atomii gazului nobil precedent, argonul, și este simbolizat Ca2+. Numele unui ion metalic este același cu numele atomului de metal din care se formează, astfel încât Ca2+ se numește ion de calciu.

Când atomii elementelor nemetalice formează ioni, aceștia câștigă în general suficienți electroni pentru a le da același număr de electroni ca un atom al următorului gaz nobil din tabelul periodic. Atomii din grupa 17 capătă un electron și formează anioni cu sarcină 1; atomii din grupa 16 capătă doi electroni și formează ioni cu sarcină 2, și așa mai departe. De exemplu, atomul neutru de brom, cu 35 de protoni și 35 de electroni, poate câștiga un electron pentru a avea 36 de electroni. Astfel, rezultă un anion cu 35 de protoni, 36 de electroni și o sarcină 1-. Acesta are același număr de electroni ca și atomii următorului gaz nobil, kripton, și este simbolizat Br-. (O discuție a teoriei care susține statutul favorizat al numerelor de electroni ai gazelor nobile, reflectat în aceste reguli de predicție pentru formarea ionilor, este oferită într-un capitol ulterior al acestui text.)

Rețineți utilitatea tabelului periodic în predicția formării probabile a ionilor și a sarcinii (figura 2). Trecând de la extrema stângă spre dreapta pe tabelul periodic, elementele din grupa principală tind să formeze cationi cu o sarcină egală cu numărul grupei. Altfel spus, elementele din grupa 1 formează ioni 1+; elementele din grupa 2 formează ioni 2+, și așa mai departe. Deplasându-se de la extrema dreaptă spre stânga în tabelul periodic, elementele formează adesea anioni cu o sarcină negativă egală cu numărul de grupe deplasate spre stânga față de gazele nobile. De exemplu, elementele din grupa 17 (o grupă din stânga gazelor nobile) formează ioni 1-; elementele din grupa 16 (două grupe din stânga) formează ioni 2-, și așa mai departe. Această tendință poate fi folosită ca un ghid în multe cazuri, dar valoarea sa predictivă scade atunci când se deplasează spre centrul tabelului periodic. De fapt, metalele de tranziție și unele alte metale prezintă adesea sarcini variabile care nu sunt previzibile prin poziția lor în tabel. De exemplu, cuprul poate forma ioni cu sarcină 1+ sau 2+, iar fierul poate forma ioni cu sarcină 2+ sau 3+.

Figura 2. Unele elemente prezintă un model regulat de sarcină ionică atunci când formează ioni.

verifică-ți cunoștințele

Dă simbolul și numele ionului cu 34 de protoni și 36 de electroni.

Ionii pe care i-am discutat până acum se numesc ioni monatomici, adică sunt ioni formați dintr-un singur atom. Găsim și mulți ioni poliatomici. Acești ioni, care acționează ca unități discrete, sunt molecule încărcate electric (un grup de atomi legați cu o sarcină globală). Unii dintre cei mai importanți ioni poliatomici sunt enumerați în tabelul 1. Oxianionii sunt ioni poliatomici care conțin unul sau mai mulți atomi de oxigen. În acest moment al studiului chimiei, ar trebui să memorați numele, formulele și sarcinile celor mai comuni ioni poliatomici. Deoarece îi veți folosi în mod repetat, aceștia vă vor deveni curând familiari.

Rețineți că există un sistem de denumire a unor ioni poliatomici; -ate și -ite sunt sufixe care desemnează ioni poliatomici care conțin mai mulți sau mai puțini atomi de oxigen. Per- (prescurtare de la „hyper”) și hypo- (care înseamnă „sub”) sunt prefixe care semnifică mai mulți atomi de oxigen decât -ate și, respectiv, mai puțini atomi de oxigen decât -ite. De exemplu, percloratul este {\text{ClO}}_{4}{}^{-}, cloratul este {\text{ClO}}_{3}{}^{-}, cloritul este {\text{ClO}}_{2}{}^{-}, iar hipocloritul este ClO-. Din păcate, numărul de atomi de oxigen corespunzător unui anumit sufix sau prefix nu este consecvent; de exemplu, nitratul este {\text{NO}}_{3}{}^{-} în timp ce sulfatul este {\text{SO}}_{4}{}^{2-}. Acest aspect va fi abordat mai detaliat în următorul modul privind nomenclatura.

Natura forțelor de atracție care țin atomii sau ionii împreună în cadrul unui compus reprezintă baza pentru clasificarea legăturii chimice. Atunci când electronii sunt transferați și se formează ioni, rezultă legături ionice. Legăturile ionice sunt forțe electrostatice de atracție, adică forțele de atracție experimentate între obiectele de sarcină electrică opusă (în acest caz, cationi și anioni). Atunci când electronii sunt „împărțiți” și se formează molecule, rezultă legături covalente. Legăturile covalente sunt forțele de atracție dintre nucleele încărcate pozitiv ale atomilor legați și una sau mai multe perechi de electroni care se află între atomi. Compușii sunt clasificați ca ionici sau moleculari (covalenți) pe baza legăturilor prezente în ei.

Compuși ionici

Când un element compus din atomi care pierd ușor electroni (un metal) reacționează cu un element compus din atomi care câștigă ușor electroni (un nemetal), are loc de obicei un transfer de electroni, producând ioni. Compusul format prin acest transfer este stabilizat de atracțiile electrostatice (legături ionice) dintre ionii de sarcină opusă prezenți în compus. De exemplu, atunci când fiecare atom de sodiu dintr-o probă de sodiu metalic (grupa 1) cedează un electron pentru a forma un cation de sodiu, Na+, iar fiecare atom de clor dintr-o probă de clor gazos (grupa 17) acceptă un electron pentru a forma un anion de clorură, Cl-, compusul rezultat, NaCl, este format din ioni de sodiu și ioni de clorură în proporție de un ion Na+ pentru fiecare ion Cl-. În mod similar, fiecare atom de calciu (grupa 2) poate ceda doi electroni și poate transfera câte unul fiecăruia dintre cei doi atomi de clor pentru a forma CaCl2, care este compus din ioni Ca2+ și ioni Cl- în proporție de un ion Ca2+ pentru doi ioni Cl-.

Un compus care conține ioni și este ținut împreună prin legături ionice se numește compus ionic. Tabelul periodic ne poate ajuta să recunoaștem mulți dintre compușii care sunt ionici: Atunci când un metal este combinat cu unul sau mai multe nemetale, compusul este de obicei ionic. Această linie directoare funcționează bine pentru a prezice formarea compușilor ionici pentru majoritatea compușilor întâlniți în mod obișnuit într-un curs introductiv de chimie. Cu toate acestea, nu este întotdeauna adevărată (de exemplu, clorura de aluminiu, AlCl3, nu este ionică).

De multe ori puteți recunoaște compușii ionici datorită proprietăților lor. Compușii ionici sunt solide care de obicei se topesc la temperaturi ridicate și fierb la temperaturi și mai ridicate. De exemplu, clorura de sodiu se topește la 801 °C și fierbe la 1413 °C. (Ca o comparație, compusul molecular apa se topește la 0 °C și fierbe la 100 °C). În formă solidă, un compus ionic nu este conducător electric, deoarece ionii săi nu pot circula („electricitatea” este fluxul de particule încărcate). Cu toate acestea, atunci când este topit, acesta poate conduce electricitatea deoarece ionii săi sunt capabili să se deplaseze liber prin lichid (figura 3).

Figura 3. Clorura de sodiu se topește la 801 °C și conduce electricitatea atunci când este topită. (credit: modificare a lucrării lui Mark Blaser și Matt Evans)

În fiecare compus ionic, numărul total de sarcini pozitive ale cationilor este egal cu numărul total de sarcini negative ale anionilor. Astfel, compușii ionici sunt în general neutri din punct de vedere electric, chiar dacă conțin ioni pozitivi și negativi. Putem folosi această observație pentru a ne ajuta să scriem formula unui compus ionic. Formula unui compus ionic trebuie să aibă un raport de ioni astfel încât numerele de sarcini pozitive și negative să fie egale.

Exemplu 3: Predicția formulei unui compus ionic

Safirul piatră prețioasă (figura 4) este în mare parte un compus de aluminiu și oxigen care conține cationi de aluminiu, Al3+, și anioni de oxigen, O2-. Care este formula acestui compus?

Figura 4. Deși oxidul de aluminiu pur este incolor, urme de fier și titan dau safirului albastru culoarea sa caracteristică. (credit: modificare a lucrării lui Stanislav Doronenko)

Arată răspunsul

Pentru că compusul ionic trebuie să fie neutru din punct de vedere electric, trebuie să aibă același număr de sarcini pozitive și negative. Doi ioni de aluminiu, fiecare cu o sarcină de 3+, ne-ar da șase sarcini pozitive, iar trei ioni de oxid, fiecare cu o sarcină de 2-, ne-ar da șase sarcini negative. Formula ar fi Al2O3.

Verifică-ți cunoștințele

Precizați formula compusului ionic format între cationul de sodiu, Na+, și anionul de sulfură, S2-.

Mulți compuși ionici conțin ioni poliatomici (tabelul 1) ca și cation, anion sau ambii. Ca și în cazul compușilor ionici simpli, acești compuși trebuie să fie, de asemenea, neutrii din punct de vedere electric, astfel încât formulele lor pot fi prezise prin tratarea ionilor poliatomici ca unități discrete. Folosim parantezele într-o formulă pentru a indica un grup de atomi care se comportă ca o unitate. De exemplu, formula pentru fosfatul de calciu, unul dintre mineralele din oasele noastre, este Ca3(PO4)2. Această formulă indică faptul că există trei ioni de calciu (Ca2+) pentru fiecare două grupuri de fosfat \left({\text{PO}}_{4}{}^{3-}\\right). Grupurile {\text{PO}}_{4}{}^{3-} sunt unități discrete, fiecare constând dintr-un atom de fosfor și patru atomi de oxigen și având o sarcină totală de 3-. Compusul este neutru din punct de vedere electric, iar formula sa prezintă un număr total de trei atomi de Ca, doi de P și opt de O.

Verifică-ți cunoștințele

Precizează formula compusului ionic format între ionul de litiu și ionul de peroxid, {\text{O}}_{2}{}^{2-}} (Sugestie: Folosiți tabelul periodic pentru a prezice semnul și sarcina ionului de litiu.)

Pentru că un compus ionic nu este alcătuit din molecule unice, discrete, este posibil să nu fie simbolizat corect folosind o formulă moleculară. În schimb, compușii ionici trebuie să fie simbolizați printr-o formulă care să indice numerele relative ale cationilor săi constituenți. Pentru compușii care conțin numai ioni monatomici (cum ar fi NaCl) și pentru mulți compuși care conțin ioni poliatomici (cum ar fi CaSO4), aceste formule sunt doar formulele empirice introduse mai devreme în acest capitol. Cu toate acestea, formulele pentru unii compuși ionici care conțin ioni poliatomici nu sunt formule empirice. De exemplu, compusul ionic oxalat de sodiu este alcătuit din ioni Na+ și {\text{C}}_{2}{\text{O}}_{4}{}^{2-} combinați într-un raport de 2:1, iar formula sa este scrisă ca Na2C2O4. Urmele din această formulă nu sunt cele mai mici numere întregi posibile, deoarece fiecare dintre ele poate fi împărțit la 2 pentru a obține formula empirică, NaCO2. Cu toate acestea, aceasta nu este formula acceptată pentru oxalatul de sodiu, deoarece nu reprezintă cu exactitate anionul poliatomic al compusului, {\text{C}}_{2}{\text{O}}_{4}{}^{2-}.

Compuși moleculari

Mulți compuși nu conțin ioni, ci constau numai din molecule discrete, neutre. Acești compuși moleculari (compuși covalenți) rezultă atunci când atomii împart, mai degrabă decât transferă (câștigă sau pierd), electroni. Legătura covalentă este un concept important și extins în chimie și va fi tratat în detaliu într-un capitol ulterior al acestui text. Adesea, putem identifica compușii moleculari pe baza proprietăților lor fizice. În condiții normale, compușii moleculari există adesea sub formă de gaze, lichide cu punct de fierbere scăzut și solide cu punct de topire scăzut, deși există multe excepții importante.

În timp ce compușii ionici se formează de obicei atunci când un metal și un nemetal se combină, compușii covalenți se formează de obicei printr-o combinație de nemetale. Astfel, tabelul periodic ne poate ajuta să recunoaștem mulți dintre compușii care sunt covalenți. Deși putem folosi pozițiile elementelor unui compus în tabelul periodic pentru a prezice dacă acesta este ionic sau covalent în acest moment al studiului nostru de chimie, trebuie să fiți conștienți de faptul că aceasta este o abordare foarte simplistă care nu ține cont de o serie de excepții interesante. Există nuanțe de gri între compușii ionici și cei moleculari, iar despre acestea veți afla mai multe mai târziu.

.

Glosar

legătură covalentă: forță de atracție între nucleele atomilor unei molecule și perechile de electroni dintre atomi

compus covalent: (de asemenea, compus molecular) compus din molecule formate din atomi a două sau mai multe elemente diferite

legătură ionică: forțe electrostatice de atracție între ionii cu sarcină opusă ai unui compus ionic

compus ionic: compus format din cationi și anioni combinați în raporturi, rezultând o substanță neutră din punct de vedere electric

compus molecular: (de asemenea, compus covalent) alcătuit din molecule formate din atomii a două sau mai multe elemente diferite

ion monatomic: ion alcătuit dintr-un singur atom

oxianiu: anion poliatomic alcătuit dintr-un atom central legat de atomi de oxigen

ion poliatomic: ion alcătuit din mai mulți atomi

.