Chimica inorganica

Che cosa sono i composti inorganici?

Prima di proseguire, definiamo i composti inorganici.

Potrebbe sembrare una definizione molto generica: lo è! La chimica inorganica comprende quindi tutti gli altri elementi che si trovano nel mondo.

Dai un'occhiata alla tavola periodica qui sotto. Il carbonio è evidenziato in rosa. Nella chimica inorganica, esaminiamo i composti formati da tutti gli altri elementi, dagli alogeni ai metalli di transizione e tutto il resto.

Riprendendo uno degli esempi riportati all'inizio dell'articolo: le batterie delle auto diesel e a benzina sono costituite da elettrodi posti in soluzione. L'elettrodo positivo, l'anodo, è rivestito di biossido di piombo, mentre l'elettrodo negativo, il catodo, è costituito da una griglia di una lega di piombo riempita di piombo spugnoso. La soluzione in cui sono immersi e collegati i due elettrodi è solitamente acido solforico. Questa soluzione è nota come soluzione elettrolitica o elettrolita. Per quanto riguarda le automobili elettriche, esse contengono batterie con un anodo di grafite, un catodo di ossido di metalli misti e un elettrolita agli ioni di litio. La chimica inorganica studia ogni tipo di sostanza simile a quelle appena menzionate. In effetti, la chimica inorganica ha un ruolo fondamentale in molti ambiti, ad esempio, viene utilizzata per progettare e sviluppare catalizzatori, vernici, batterie, tensioattivi, detergenti, gioielli e farmaci.

Le basi della chimica inorganica

Vediamo ora, alcuni concetti principali che incontrerai nella chimica inorganica.

La tavola periodica

La tavola periodica, come la conosciamo oggi, si basa su quella creata dal chimico russo Dimitri Mendeleev. Egli utilizzò le conoscenze sulle proprietà degli elementi per organizzarli in righe e colonne, lasciando anche degli spazi vuoti per gli elementi non ancora scoperti.

La tavola periodica:

• Contiene colonne definite gruppi e righe definite periodi. Alcuni gruppi importanti sono i metalli alcalini (gruppo 1) e gli alogeni (gruppo 7).
• È caratterizzata dalla periodicità. Ciò significa che contiene schemi che si ripetono in ogni riga.
• È organizzata in blocchi.
• Contiene metalli, non metalli e metalloidi. I metalli sono generalmente considerati come elementi che perdono elettroni per formare ioni positivi, mentre i non metalli acquistano elettroni per formare ioni negativi. I metalloidi hanno invece, un comportamento intermedio tra i due.

Figura 3. La tavola periodica suddivisa in quattro blocchi

commons.wikimedia.org

Ioni

I cationi sono ioni positivi mentre gli anioni sono ioni negativi.

Stati di ossidazione

Potresti aver già incontrato specie come il Fe(II). È possibile trovare anche il Fe(III). Qual è la differenza tra le due specie?

Si tratta di specie con stati di ossidazione diversi.

Gli stati di ossidazione sono molto utili nelle reazioni di ossidoriduzione o redox, che verranno analizzate successivamente. Gli stati di ossidazione si rappresentano usando numeri come apici o numeri romani. Ad esempio, il Fe(II) ha uno stato di ossidazione 2+ e può essere scritto anche come Fe²⁺. Ciò significa che ha perso due elettroni rispetto ad un atomo neutro di ferro.

Redox

Il termine Redox è utilizzato per descrivere le reazioni di ossidoriduzione che incontrerai in Chimica fisica. Tuttavia, sono importanti anche in chimica inorganica.

Nelle reazioni redox si formano molti composti inorganici. Dai un’occhiata all'esempio tra zinco e solfato di rame:

$\mathrm{Zn}\left(\mathrm{s}\right)+{\mathrm{CuSO}}_4\left(\mathrm{aq}\right)\to {\mathrm{ZnSO}}_4\left(\mathrm{aq}\right)+\mathrm{Cu}\left(\mathrm{s}\right)$

Possiamo scrivere questa reazione come una reazione redox utilizzando gli stati di ossidazione:

$\mathrm{Zn}+{\mathrm{Cu}}^{2+}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+\mathrm{Cu}$

Si noti quanto segue:

• Lo zinco è ossidato perché perde elettroni.
• Il rame si riduce perché acquista elettroni.
• Lo zinco agisce come agente riducente perché riduce il rame.
• Il rame agisce come agente ossidante perché ossida lo zinco.

Acidi e basi

Gli acidi e basi sono noti in chimica fisica, ma sono rilevanti anche in questo caso.

Alcuni elementi e composti, sono acidi o basi molto più efficaci di altri, e questo aspetto si approfondisce in chimica inorganica.

Stati di transizione

Immagina di fare una reazione a rallentatore e di scattare una foto a metà strada. Se ingrandisci l'immagine, puoi notare che alcuni dei legami inizialmente presenti nei reagenti si sono rotti e che non si sono ancora formati nuovi legami, oppure che si sono formati composti intermedi. Questo è un esempio di stato di transizione.

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Tipi di composti

In chimica organica si trovano diverse molecole come alcheni, alcoli e ammine. Nella chimica inorganica, invece, è molto più probabile trovare sali, ossidi e metalloidi:

• Un sale è un composto ionico che si forma quando uno ione positivo si lega a uno ione negativo per attrazione elettrostatica. Potresti aver già incontrato i sali in chimica fisica, nell'argomento legame ionico.
• Un minerale è un solido inorganico presente in natura con una determinata composizione chimica e una struttura cristallina, ovvero, contiene una disposizione regolare e ripetuta degli atomi.
• Gli ossidi sono composti contenenti almeno uno ione ossigeno con stato di ossidazione 2+.
• I nitrati sono composti contenenti lo ione ${{\mathrm{NO}}_3}^{-}$.
• I solfati sono composti contenenti lo ione ${{\mathrm{SO}}_4}^{2-}$
• I composti organometallici costituiscono un ponte tra la chimica organica e quella inorganica. Sono composti che contengono almeno un legame tra un atomo di carbonio di un composto organico e un metallo o un metalloide.

Argomenti di chimica inorganica

In chimica inorganica, si studiano diversi argomenti, che vanno dalla periodicità e dai metalli del gruppo 2 agli alogeni e agli ioni. Di seguito ne esploriamo alcuni.

Periodicità e tendenze

Come abbiamo detto in precedenza, la tavola periodica presenta una periodicità: contiene schemi che si ripetono su ogni riga della tavola. Questo significa che, scendendo lungo una colonna della tavola periodica, nota come gruppo, tutti gli elementi reagiscono in modo simile. In "Periodicità e Tendenze", esplorerai alcune tendenze della tavola periodica, tra cui il raggio atomico e l'energia di ionizzazione. Conoscere queste tendenze rende molto più semplice prevedere la reattività di un elemento. In particolare, ti concentrerai sugli elementi del periodo 3.

Gruppi 2 e 7

In seguito, negli articoli "Gruppo 2" e "Gruppo 7", si analizzeranno due gruppi particolari di elementi. Il gruppo 2 contiene i metalli alcalino-terrosi, mentre il gruppo 7 contiene gli alogeni, una famiglia di non metalli. In questi due argomenti esplorerai le loro proprietà chimiche e fisiche. Ad esempio:

• Come cambia la reattività man mano che si scende negli elementi del gruppo 2?
• Quali composti del gruppo 2 sono solubili e quali no?
• Quale alogeno ha la migliore capacità ossidante?
• Quali sono gli usi del cloro?

Metalli di transizione

Di seguito, esplorerai i metalli di transizione.

I metalli di transizione possiedono quattro proprietà comuni:

• Hanno stati di ossidazione variabili.
• Sono di colore brillante.
• Sono buoni catallizzatori.
• Formano ioni complessi. Uno ione complesso è un composto che si forma quando un metallo di transizione si lega ad altre specie, note come ligandi mediante legami covalenti coordinati o dativi.

Scoprirai tutto su questi metalli in ''Metalli di transizione''.

Reazioni di ioni in soluzione acquosa

Infine, in questo argomento approfondirai gli ioni e l'acidità.

• Perché alcuni metalli sono più acidi di altri?
• Che cos'è la chelazione?
• Come viene sostituita l'acqua nelle reazioni di sostituzione dei ligandi? Scoprirai le risposte in "Reazioni degli ioni in soluzione acquosa"!

Altri argomenti di chimica inorganica

La chimica inorganica non si ferma agli argomenti che abbiamo esplorato fin'ora. Altri argomenti includono i metalli del gruppo 1, noti come metalli alcalini, l'elettrolisi, il gruppo 4 e l'estrazione dei metalli.