Chimie pour les majors

La nomenclature, un ensemble de règles pour nommer les choses, est importante en science et dans de nombreuses autres situations. Ce module décrit une approche utilisée pour nommer les composés ioniques et moléculaires simples, tels que NaCl, CaCO3 et N2O4. Les plus simples d’entre eux sont les composés binaires, ceux qui ne contiennent que deux éléments, mais nous verrons également comment nommer les composés ioniques contenant des ions polyatomiques, ainsi qu’une classe spécifique et très importante de composés connus sous le nom d’acides (les discussions ultérieures de ce texte se concentreront sur ces composés de manière très détaillée). Nous limiterons ici notre attention aux composés inorganiques, composés principalement composés d’éléments autres que le carbone, et suivrons les directives de nomenclature proposées par l’UICPA. Les règles relatives aux composés organiques, dans lesquels le carbone est l’élément principal, seront traitées dans le module sur la chimie organique.

Composés ioniques

Pour nommer un composé inorganique, nous devons considérer les réponses à plusieurs questions. Premièrement, le composé est-il ionique ou moléculaire ? Si le composé est ionique, le métal forme-t-il des ions d’un seul type (charge fixe) ou de plusieurs types (charge variable) ? Les ions sont-ils monatomiques ou polyatomiques ? Si le composé est moléculaire, contient-il de l’hydrogène ? Si oui, contient-il aussi de l’oxygène ? À partir des réponses que nous obtenons, nous plaçons le composé dans une catégorie appropriée, puis nous le nommons en conséquence.

Composés ne contenant que des ions monatomiques

Le nom d’un composé binaire contenant des ions monatomiques est constitué du nom du cation (le nom du métal) suivi du nom de l’anion (le nom de l’élément non métallique dont la terminaison est remplacée par le suffixe -ide). Quelques exemples sont donnés dans le tableau 1.

Composés contenant des ions polyatomiques

Les composés contenant des ions polyatomiques sont nommés de la même façon que ceux ne contenant que des ions monatomiques, sauf qu’il n’est pas nécessaire de passer à une terminaison -ide, puisque le suffixe est déjà présent dans le nom de l’anion. Des exemples sont présentés dans le tableau 2.

Composés contenant un ion métallique de charge variable

La plupart des métaux de transition peuvent former deux ou plusieurs cations de charges différentes. Les composés de ces métaux avec des non-métaux sont nommés avec la même méthode que les composés de la première catégorie, sauf que la charge de l’ion métallique est spécifiée par un chiffre romain entre parenthèses après le nom du métal. La charge de l’ion métallique est déterminée à partir de la formule du composé et de la charge de l’anion. Par exemple, considérons les composés ioniques binaires du fer et du chlore. Le fer présente généralement une charge de 2+ ou 3+ (voir Composés moléculaires et ioniques), et les deux formules de composés correspondantes sont FeCl2 et FeCl3. Le nom le plus simple, « chlorure de fer », sera, dans ce cas, ambigu, car il ne fait pas de distinction entre ces deux composés. Dans des cas comme celui-ci, la charge de l’ion métallique est incluse sous forme de chiffre romain entre parenthèses, immédiatement après le nom du métal. Ces deux composés sont alors nommés sans ambiguïté chlorure de fer(II) et chlorure de fer(III), respectivement. D’autres exemples sont fournis dans le tableau 4.

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La nomenclature obsolèteobsolète utilisait les suffixes -ic et -ous pour désigner les métaux de charge supérieure et inférieure, respectivement : Le chlorure de fer(III), FeCl3, était auparavant appelé chlorure ferrique, et le chlorure de fer(II), FeCl2, était connu sous le nom de chlorure ferreux. Bien que cette convention de dénomination ait été largement abandonnée par la communauté scientifique, elle reste utilisée par certains secteurs de l’industrie. Par exemple, vous pouvez voir les mots « fluorure stanneux » sur un tube de dentifrice. Il s’agit de la formule SnF2, qui est plus correctement nommée fluorure d’étain(II). L’autre fluorure d’étain est SnF4, qui était auparavant appelé fluorure stanneux mais qui est maintenant nommé fluorure d’étain(IV).

Hydrates ioniques

Les composés ioniques qui contiennent des molécules d’eau en tant que composants intégraux de leurs cristaux sont appelés hydrates. Le nom d’un hydrate ionique est dérivé en ajoutant un terme au nom du composé anhydre (signifiant  » non hydraté « ) qui indique le nombre de molécules d’eau associées à chaque unité de formule du composé. Le mot ajouté commence par un préfixe grec indiquant le nombre de molécules d’eau (voir le tableau 5) et se termine par « hydrate ». Par exemple, le composé anhydre sulfate de cuivre(II) existe également sous forme d’hydrate contenant cinq molécules d’eau et nommé sulfate de cuivre(II) pentahydraté. Les lessives sont le nom commun d’un hydrate de carbonate de sodium contenant 10 molécules d’eau ; le nom systématique est carbonate de sodium décahydraté.

Les formules des hydrates ioniques s’écrivent en ajoutant un point centré verticalement, un coefficient représentant le nombre de molécules d’eau et la formule de l’eau. Les deux exemples mentionnés dans le paragraphe précédent sont représentés par les formules

\text{sulfate de cuivre(II) pentahydrate}\text{CuSO}_{4}\cdot{5}\text{H}_{2}\text{O}

\text{sodium carbonate decahydrate}\text{ Na}_{2}\text{CO}_{3}\cdot{10}\text{H}_{2}\text{O}

Erin Brokovich et la contamination par le chrome

Au début des années 1990, la préposée aux dossiers juridiques Erin Brockovich (figure 1) a découvert un taux élevé de maladies graves dans la petite ville de Hinckley, en Californie. Son enquête a finalement permis de relier ces maladies à des eaux souterraines contaminées par du Cr(VI) utilisé par Pacific Gas & Electric (PG&E) pour lutter contre la corrosion d’un gazoduc voisin. Comme le montre le film Erin Brokovich (pour lequel Julia Roberts a reçu un Oscar), Erin et son avocat Edward Masry ont poursuivi PG&E pour avoir contaminé l’eau près de Hinckley en 1993. Le règlement qu’ils ont obtenu en 1996 – 333 millions de dollars – était le montant le plus élevé jamais accordé pour un procès par action directe aux États-Unis à l’époque.

Figure 1. (a) Erin Brockovich a découvert que le Cr(IV), utilisé par PG&E, avait contaminé l’approvisionnement en eau de Hinckley, en Californie. (b) L’ion Cr(VI) est souvent présent dans l’eau sous la forme des ions polyatomiques chromate, CrO42- (à gauche), et dichromate, Cr2O72- (à droite).

Les composés de chrome sont largement utilisés dans l’industrie, notamment pour le chromage, dans la fabrication de teintures, comme agents de conservation et pour prévenir la corrosion dans l’eau des tours de refroidissement, comme cela s’est produit près de Hinckley. Dans l’environnement, le chrome existe principalement sous la forme de Cr(III) ou de Cr(VI). Le Cr(III), un ingrédient de nombreux suppléments vitaminiques et nutritionnels, forme des composés peu solubles dans l’eau, et sa toxicité est faible. En revanche, le Cr(VI) est beaucoup plus toxique et forme des composés qui sont raisonnablement solubles dans l’eau. L’exposition à de petites quantités de Cr(VI) peut entraîner des dommages aux systèmes respiratoire, gastro-intestinal et immunitaire, ainsi qu’aux reins, au foie, au sang et à la peau.

Malgré les efforts de nettoyage, la contamination des eaux souterraines par le Cr(VI) reste un problème à Hinckley et dans d’autres endroits du globe. Une étude réalisée en 2010 par l’Environmental Working Group a révélé que sur 35 villes américaines testées, 31 présentaient des niveaux de Cr(VI) dans leur eau du robinet supérieurs à l’objectif de santé publique de 0,02 partie par milliard fixé par l’Agence californienne de protection de l’environnement.

Composés moléculaires (covalents)

Les caractéristiques de liaison des composés moléculaires inorganiques sont différentes de celles des composés ioniques, et ils sont nommés en utilisant un système différent également. Les charges des cations et des anions dictent leurs rapports dans les composés ioniques, de sorte que la spécification des noms des ions fournit des informations suffisantes pour déterminer les formules chimiques. Cependant, comme la liaison covalente permet une variation importante des rapports de combinaison des atomes dans une molécule, les noms des composés moléculaires doivent identifier explicitement ces rapports.

Composés composés de deux éléments

Lorsque deux éléments non métalliques forment un composé moléculaire, plusieurs rapports de combinaison sont souvent possibles. Par exemple, le carbone et l’oxygène peuvent former les composés CO et CO2. Comme il s’agit de substances différentes ayant des propriétés différentes, elles ne peuvent pas toutes deux porter le même nom (elles ne peuvent pas toutes deux être appelées oxyde de carbone). Pour faire face à cette situation, nous utilisons une méthode de dénomination quelque peu similaire à celle utilisée pour les composés ioniques, mais en ajoutant des préfixes pour préciser le nombre d’atomes de chaque élément. Le nom de l’élément le plus métallique (celui qui se trouve le plus à gauche et/ou en bas du tableau périodique) apparaît en premier, suivi du nom de l’élément le plus non métallique (celui qui se trouve le plus à droite et/ou en haut) dont la terminaison est remplacée par le suffixe -ide. Les nombres d’atomes de chaque élément sont désignés par les préfixes grecs indiqués ci-dessus dans le tableau 5.

Lorsqu’un seul atome du premier élément est présent, le préfixe mono- est généralement supprimé de cette partie. Ainsi, CO est nommé monoxyde de carbone, et CO2 est appelé dioxyde de carbone. Lorsque deux voyelles sont adjacentes, le a du préfixe grec est généralement supprimé. Quelques autres exemples sont présentés dans le tableau 6.

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Il existe quelques noms communs que vous rencontrerez en poursuivant votre étude de la chimie. Par exemple, bien que NO soit souvent appelé oxyde nitrique, son nom propre est monoxyde d’azote. De même, N2O est connu sous le nom d’oxyde nitreux, même si nos règles spécifient le nom de monoxyde de diazote. (Et H2O est généralement appelé eau, et non monoxyde de dihydrogène.) Vous devriez mémoriser les noms communs des composés au fur et à mesure que vous les rencontrez.