Introduzione alla chimica

Termini

• cationeUno ione carico positivamente, al contrario di un anione.
• ionizzazioneQualsiasi processo che porta alla dissociazione di un atomo neutro o di una molecola in particelle cariche (ioni).
• anioneUno ione caricato negativamente, al contrario di un catione

Cazioni e anioni si formano da atomi neutri

Ogni atomo nel suo stato fondamentale è senza carica. Ha, secondo il suo numero atomico, lo stesso numero di protoni ed elettroni. Gli elettroni sono piuttosto labili, tuttavia, e un atomo spesso li guadagnerà o perderà a seconda della sua elettronegatività. La forza trainante per questo guadagno o perdita di elettroni è lo stato energeticamente ottimale di avere un guscio di valenza (il più esterno) pieno di elettroni. In tale stato, l’atomo carico risultante ha la configurazione elettronica di un gas nobile.

L’aggiunta di un elettrone interromperà l’equilibrio protone-elettrone e lascerà l’atomo carico negativamente. La rimozione di un elettrone, al contrario, lascerà l’atomo carico positivamente. Questi atomi carichi sono conosciuti come ioni.

Formazione degli ioni monoatomici

Gli ioni monoatomici sono formati dall’aggiunta o dalla rimozione di elettroni dal guscio di valenza di un atomo. I gusci interni di un atomo sono pieni di elettroni che sono strettamente legati al nucleo atomico carico positivamente e quindi non partecipano a questo tipo di interazione chimica, ma il guscio di valenza può essere molto reattivo a seconda dell’atomo e della sua configurazione elettronica. Il processo di guadagnare o perdere elettroni da un atomo o molecola neutra è chiamato ionizzazione.

Gli atomi possono essere ionizzati dal bombardamento con radiazioni, ma il processo più puramente chimico della ionizzazione è il trasferimento di elettroni tra atomi o molecole. Questo trasferimento è guidato dalla stabilizzazione che deriva dall’ottenimento di configurazioni elettroniche stabili (a guscio completo). Gli atomi guadagneranno o perderanno elettroni a seconda dell’azione che richiede meno energia.

Per esempio, il sodio del gruppo 1 (Na) ha un solo elettrone nel suo guscio di valenza, con gusci pieni di 2 e 8 elettroni sotto. La rimozione di questo unico elettrone lascia il sodio stabile: Il suo guscio più esterno ora contiene otto elettroni, dando al sodio la configurazione elettronica del neon. Avendo guadagnato una carica positiva, lo ione di sodio è chiamato un catione. La ionizzazione del sodio può essere illustrata chimicamente come segue:

Na → Na+ + e-

Il sodio potrebbe guadagnare elettroni, ma richiederebbe altri sette per ottenere un guscio di valenza completo. Rimuovere un elettrone è molto più facile che guadagnarne sette, e così il sodio in ogni scenario chimico raggiungerà il suo ottetto diventando un catione.

D’altra parte, un atomo di cloro (Cl) ha sette elettroni nel suo guscio di valenza, che è uno in meno di un guscio stabile e completo con 8 elettroni. Così, un atomo di cloro tende a guadagnare un elettrone extra e a raggiungere una configurazione stabile a 8 elettroni (la stessa dell’argon), diventando un anione negativo del cloruro nel processo:

Cl + e- → Cl-

Combinando la propensione del sodio a perdere un elettrone e del cloruro a guadagnare un elettrone, si osserva una reattività complementare. Quando sono combinati, gli atomi senza carica possono scambiare elettroni e, così facendo, ottengono gusci di valenza completi. Gli ioni risultanti si attaccano insieme a causa dei legami ionici (le cariche opposte si attraggono), lasciando una struttura a reticolo cristallino di NaCl, più comunemente noto come salgemma. La reazione è la seguente:

Na+ + Cl- → NaCl

Ioni poliatomici e molecolari

L’ionizzazione non è limitata ai singoli atomi; si possono formare anche ioni poliatomici. Gli ioni poliatomici e molecolari sono spesso creati dall’aggiunta o dalla rimozione di ioni elementari come H+ in molecole neutre. Per esempio, quando l’ammoniaca, NH3, accetta un protone, H+, forma lo ione ammonio, NH4+. L’ammoniaca e l’ammonio hanno lo stesso numero di elettroni in essenzialmente la stessa configurazione elettronica, ma l’ammonio ha un protone extra (l’H+) che gli dà una carica positiva netta.

Notazione chimica

Quando si scrive la formula chimica per uno ione, la sua carica netta è scritta in apice subito dopo la struttura chimica della molecola o dell’atomo. La carica netta è scritta con la grandezza prima del segno, cioè, un catione con carica doppia è indicato come 2+ invece di +2. Tuttavia, la grandezza della carica è omessa per molecole o atomi con carica singola; per esempio, il catione sodio è indicato come Na+ e non Na1+.

Un modo alternativo di mostrare una molecola o un atomo con cariche multiple è disegnando fuori i segni più volte; questo è spesso visto con metalli di transizione. I chimici a volte cerchiano il segno; questo è semplicemente ornamentale e non altera il significato chimico. Un atomo di ferro con due cariche positive può anche essere espresso come Fe2+ o Fe++.

Nel caso dei metalli di transizione, gli stati di ossidazione possono essere specificati con numeri romani; per esempio, Fe2+ è occasionalmente indicato come Fe(II) o FeII. Il numero romano designa lo stato di ossidazione formale di un elemento, mentre i numeri in apice denotano la carica netta. Le due notazioni sono quindi scambiabili per gli ioni monoatomici, ma i numeri romani non possono essere applicati agli ioni poliatomici. Tuttavia, è possibile mescolare le notazioni per il singolo centro metallico con un complesso poliatomico, come dimostrato utilizzando lo ione uranile (UO2) come esempio.

Si noti che è possibile rimuovere molti elettroni da un atomo. L’energia richiesta per farlo può essere registrata in un diagramma di energia di ionizzazione successivo.