Numero di ossidazione. Proprietà periodiche e formule dei composti.

Prima di "avventurarci" nell'affascinante mondo della nomenclatura chimica è utile tenere bene a mente alcune proprietà degli elementi che si possono ben evidenziare grazie alla tavola periodica. Anzi direi che la tavola periodica e il

modello atomico a orbitali sono senza dubbio la base che serve per capire quello che succede. Se non ti ricordi come determinare la configurazione elettronica du un elemento riguardati bene questa dispensa (

La configurazione elettronica) Se invece appena ti dico carbonio, numero atomico 6, tu dici subito 1s² 2s² 2p², non c'è problema e puoi andare avanti.

Altra cosa fondamentale di cui tenere conto è la differenza tra elettroni di valenza ed elettroni di legame.

Gli ELETTRONI DI VALENZA sono tutti gli elettroni presenti negli orbitali s e p a numero quantico principale più alto. Gli elettroni di valenza sono elettroni che un atomo PUÒ usare per legarsi con un altro atomo (può usare significa che non è detto che li usi tutti)

Gli ELETTRONI DI LEGAME sono gli elettroni che un atomo EFFETTIVAMENTE usa per legarsi con un altro atomo. Vedremo che quando due atomi si legano si "prestano", si "scambiano" o "mettono in compartecipazione" degli elettroni.

Facciamo un esempio:
il cloro (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵) ha 7 elettroni di valenza, ma può capitare che scambi o presti 1 solo elettrone, oppure 3 o 5 o tutti e 7. Il cloro quindi avrà sempre 7 elettroni di valenza, ma potrebbe avere 1, 3, 5 o 7 elettroni di legame.

Tenete anche bene a mente la "famosa" regola dell'ottetto. Gli atomi che hanno 8 elettroni degli orbitali s e p a numero quantico principale più alto, come i gas nobili, assumono una configurazione particolarmente stabile. Possiamo quindi dire che il "sogno nel cassetto" di tutti gli atomi, quello che ogni elemento chimico disperatamente vuole, è avere 8 elettroni negli orbitali s e p più esterni. Quando gli atomi di legano e si scambiano elettroni lo faranno cercando di ottenere un bellissimo ottetto (o almeno cercheranno di avvicinarsi).

Due proprietà degli elementi da tenere ben presenti per capire quello che stiamo facendo sono l'elettronegatività e il numero di ossidazione.

E' una misura relativa della capacità di un atomo di attrarre elettroni quando prende parte ad un legame chimico. L'elettronegatività aumenta in ogni periodo da sinistra a destra e diminuisce in ogni gruppo dall'alto verso il basso.
elettrogegatività

I metalli alcalini (il primo gruppo a sinistra, Li,Na, ecc..) hanno bassa elettronegatività, essi infatti non hanno nessun interesse ad attirare elettroni, anzi, cercano di disfarsene, gli atomi spostati molto a destra invece, come l'ossigeno o il fluoro, hanno una fortissima elettronegatività, essi attirano fortemente elettroni perché in questo modo possono completare il loro ottetto.

Le eccezioni che confermano a regola
Nella tabella qui sopra c'è quancosa che non torna! Alcuni gas nobili hanno una elevata elettronegatività. Applicando alla lettera la regola dell'ottetto questo non dovrebbe succedere. Come sempre però la realtà è più complicata della teoria e i gas nobili con numero atomico più elevato possono, in determinate condizioni, attirare elettroni e reagire con altri atomi. Comunque per adesso non fasciatevi troppo la testa. La regola dell'ottetto funziona benissimo e ci aiuta a capire molte cose, qundi fregatevene dell'elettronegatività del Kripton e degli altri gas nobili ad elevato numero atomico.

L'energia di ionizzazione è l'energia necessaria per estrarre un elettrone da un atomo allo stato gassoso. Essa, come potete intuire, è legata al volore della elettronegatività, se infatti un atomo è altamente elettronegativo e quindi attira fortemente elettroni sarà difficile toglierlene uno, mentre atomi scarsamente elettronegativi si faranno togliere elettroni con maggiore facilità. L' energia di prima ionizzazione (cioè quella necessaria per strappare un solo elettrone) dipende strettamente dalla configurazione elettronica degli atomi, per cui ha un tipico andamento periodico: le energie di ionizzazione degli atomi crescono da sinistra verso destra, diminuiscono dall’alto verso il basso nell’interno di un gruppo (esattamente come l'elettronegatività).

LE DIMENSIONI DEGLI ATOMI

Un altro importante fattore che gioca in questo caso è rappresentato dalle dimensioni dell'atomo. Atomi molto grandi, in cui il nucleo positivo che attira gli elettroni, è lontano dagli orbitali più esterni ed è schermato da tutti i "gusci" elettronici più interni, non riescono a trattenere con forza i loro elettroni e li perdono facilmente. Succede il contrario per atomi più piccoli.

Nella tabella a destra potete vedere le dimensioni relative di parte degli atomi della tavola periodica. E' molto più difficile togliere un elettrone al piccolissimo atomo di idrogeno (il suo nucleo se lo tiene ben stretto!) che ai grandi atomi dei metalli alcalini.

Qui sotto invece potete vedere come varia l'energia di ionizzazione in funzione del numero atomico. Alla fine di ogni periodo (segnata da uno dei gas nobili), l'energia di ionizzazione cala bruscamente in corrispondenza dei metalli alcalini ( a cui strappare elettroni è facile come rubare carmelle ad un bambino... si fa per dire...)

Naturalmente, dopo aver tolto un elettrone ad un atomo, posso toglierlene un altro, o altri due. Si parla in questo caso di energia di seconda ionizzazione, terza ionizzazione e così via. Naturalmente devo spendere sempre più energia, fino al momento in cui non sarà proprio più possibile strappare altri elettroni.

ionizzazione

Il numero di ossidazione (o stato di ossidazione) di un elemento chimico in un composto dipende dal numero di elettroni ceduti o acquistati virtualmente durante la formazione di un composto. Esso corrisponde alla ipotetica carica che ogni atomo presente in una formula neutra o ionica, acquisterebbe in seguito all’attribuzione degli elettroni di legame all'atomo più elettronegativo.
facciamo un esempio:

In realtà l'idrogeno non ha perso il suo elettrone, si può dire che lo ha messo in compartecipazione con l'ossigeno, allo stesso modo l'ossigeno presta un elettrone a ciascuno dei due atomi di idrogeno. Le coppie di elettroni di legame (palline nere e rosse) possono orbitare sia intorno all'idrogeno che intorno all'ossigeno (vedremo poi che in realtà si trovano più spesso dalle parti dell'ossigeno). Per il calcolo del numero di ossidazione però gli elettroni di legame si considerano assegnati all'atomo più elettronegativo, in questo caso l'ossigeno. L'idrogeno quindi è come se perdesse il proprio elettrone e acquistasse l'ipotetica carica di +1 (numero di ossidazione dell'idrogeno). L'ossigeno acquista virtualmente due elettroni, la sua ipotetica carica diventa quindi -2 (numero di ossidazione dell'ossigeno).

Le regole per determinare il numero di ossidazione:

1- La somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi di un composto neutro è uguale a 0

2- La somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi di uno ione poliatomico è uguale alla carica dello ione

3- Gli elementi allo stato libero in forma atomica (He) o molecolare (O₂) hanno numeri di ossidazione uguale a 0

4- I metalli hanno generalmente numeri di ossidazione positivi, i metalli alcalini hanno sempre numero di ossidazione +1, gli alcalino terrosi +2.

5- L'idrogeno ha numero di ossidazione +1 quando si lega con i non metalli, -1 quando si lega con i metalli

6- L'ossigeno ha quasi sempre numero di ossidazione -2, tranne nei perossidi dove ha -1

7- Gli ioni monoatomici hanno numero di ossidazione uguale alla carica dello ione

Abbiamo visto che il "sogno nel cassetto" di ogni atomo è quello di assomigliare il più possibile ad un gas nobile e riuscire ad avere otto elettroni negli orbitali s e p più esterni. Per riuscirci ogni atomo deve o prestare o farsi prestare o magari rubare elettroni.

Il cloro ad esempio può avere diversi numeri di ossidazione -1, +1, +3, +5, +7. Questo significa che quando forma un composto con il numero di ossidazione -1 si farà dare 1 elettrone da qualcuno, mentre se forma un composto con il numero di ossidazione + 7 significa che darà via 7 elettroni.

Il sodio ha un solo numero di ossidazione che è +1 questo significa che per formare un legame (stiamo parlando di legami ionici o covalenti) deve trovare qualcuno a cui "regalare" il suo elettrone.

RICORDATEVI:
Numero di ossidazione NEGATIVO => un atomo PRENDE elettroni
Numero di ossidazione POSITIVO => un atomo RAGALA elettroni

Il sodio può solo regalare un elettrone e il cloro (con numero di oss. -1) è disposto a farsi dare un elettrone quindi cloro e sodio stanno benissimo insieme e si lagano formando il cloruro di sodio NaCl. La somma infatti dei numeri di ossidazione è uguale a zero.

Un atomo di calcio è un metallo alcalino terroso ed il suo numero di ossidazione è sempre +2. questo significa che un atomo di calcio deve "regalare" 2 elettroni. Ora abbiamo visto che un atomo di cloro è disposto a prendere un elettrone (n.o. -1), ma non è disposto a prenderne due, infatti il cloro non ha mai numero di ossidazione -2. Come si risolve la faccenda? Semplice, un atomo ci calcio ha bisogno di due atomi di cloro. Il calcio regala i suoi due elettroni (n.o. +2) e ciascuno dei due atomi di cloro prende un solo elettrone (n.o. -1). La formula sarà CaCl_2,(somma dei numeri di ossidazione =0).

Il nostro atomo di calcio cerca sempre di regalare due elettroni a qualcuno, ma un atomo di ossigeno, che ha numero di ossidazione -2 cerca appunto qualcuno da cui farsi dare due elettroni. In questo caso la formula sarà CaO (somma dei numeri di ossidazione =0).

Questa volta è l'ossigeno che ha bisogno di due atomi di sodio. L'ossigeno infatti vuole due elettroni (n.o. -2) e ciascun atomo di sodio ne ha solo uno da regalare (n.o. +1). La formula sarà Na₂O (somma dei numeri di ossidazione =0).

Se non volete stare a fare ogni volta tanti ragionamenti, ecco alcune semplici regole per scrivere la formula di un composto binario.

DUE ELEMENTI CHE ABBIANO NUMERO DI OSSIDAZIONE DELLO STESSO SEGNO NON POSSONO LEGARSI (con legame ionico o covalente).
Infatti due metalli che hanno sempre e soltanto numero di ossidazione positivo, non possono legarsi tra loro e due non metalli possono legarsi soltanto se uno di loro (quello più elettronegativo) ha numero di ossidazione negativo, mentre l'altro positivo. Infine se un non metallo si lega con un metallo il primo avrà sempre numero di ossidazione negativo.

Nota: i metalli possono tranquillamente legarsi tra loro grazie al legame metallico

COME SI SCRIVE LA FORMULA DI UN COMPOSTO BINARIO?
Di norma si scrive l'atomo più elettronegativo a destra e poi si scrive come indice del primo atomo il numero di ossidazione del secondo privo di segno e come indice del secondo atomo il numero di ossidazione del primo, sempre privo di segno. Gli indici si possono poi semplificare se sono divisibili per uno stesso numero.