La nomenclatura chimica è regolamentata dalla IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry), un'associazione internazionale che periodicamente si riunisce per aggiornare le regole della "sintassi chimica" alla luce delle nuove conoscenze. Le regole della nomenclatura, presentate qui e tuttora valide, sono state elaborate durante il congresso IUPAC del 1959, basato sulle precedenti proposte di Alfred Stock.
Antoine Lavoisier, intorno al 1787, diede per primo una sistemazione alla nomenclatura chimica rendendola simile alla moderna. I suffissi -ico -oso -ato -ito -uro, usati ancora oggi, furono introdotti dal chimico francese. Per gli elementi, Lavoisier propose dei simboli geometrici, che all'inizio dell'Ottocento usava segni circolari.
I simboli degli elementi come li conosciamo oggi furono introdotti da Jöns Jacob Berzelius nel 1813. La loro semplicità ha contribuito, a poco a poco, alla definitiva affermazione di tale simbologia.
I simboli degli elementi sono costituiti da una, due o tre lettere che derivano dal nome originale, spesso latino dell'elemento chimico. Per esempio, la lettera C rappresenta il carbonio (dal latino carbo), O l'ossigeno (dal greco oxis e genes), U l'uranio (dal pianeta Urano, scoperto pochi anni prima dell'elemento), Cu il rame (dal latino cuprum).
La valenza e lo stato di ossidazione
Gli atomi formano legami utilizzando gli elettroni degli orbitali esterni: condividendoli, cedendoli o catturandoli dagli atomi vicini. Da qui deriva il concetto di valenza.
In passato, quando non era chiara la natura del legame chimico, si confrontavano le formule dei composti con quelle di composti analoghi contenenti idrogeno oppure ossigeno. La valenza di un elemento era data dal numero di idrogeni o dal doppio degli ossigeni necessari per rimpiazzare l'elemento considerato. Per esempio, in AgCl l'argento sostituisce un idrogeno di HCl, quindi Ag ha valenza 1.
Conoscere la valenza degli elementi combinati è di fondamentale importanza per assegnare i nomi e scrivere le formule corrette dei composti. Per ricavare le valenze dobbiamo conoscere le configurazioni elettroniche dei composti.
Analogo al concetto di valenza è quello di numero di ossidazione legato al primo dalla relazione Valenza = Val.ass.( OX).
Lo stato di ossidazione (o numero di ossidazione) di un elemento chimico in un composto è definito come la differenza tra il numero di elettroni di valenza dell'atomo considerato e il numero di elettroni che ad esso rimangono dopo aver assegnato tutti gli elettroni di legame all'atomo più elettronegativo di ogni coppia. Il numero di ossidazione (abbreviato in "n.o.") è positivo se gli elettroni vengono ceduti, mentre è negativo se vengono acquistati.
Regola Esempio Gli atomi nelle sostanze elementari hanno sempre stato di ossidazione zero. In Cl2 l'OX del cloro è zero. In S8 lo zolfo ha OX zero. Lo stato di ossidazione dell'ossigeno è -2, tranne nei perossidi, in cui vale -1, nei superossidi, dove vale -0,5 (anione O2-) e quando è legato al fluoro, in cui è +2. In Na2O, H2O, MgO, Al2O3 l'ossigeno ha stato di ossidazione -2. Nei perossidi di idrogeno e di sodio (per esempio, H2O2 e Na2O2) ha stato di ossidazione -1. In OF2 l'ossigeno ha stato di ossidazione +2. In KO2 (superossido di potassio) vale -0,5 Lo stato di ossidazione dell'idrogeno è +1, fanno eccezione i casi in cui H è combinato con un metallo, nel qual caso ha stato di ossidazione -1. In H2O, HCl, H2SO3, HF, NH3, PH3, CH4 l'idrogeno ha OX +1. Negli idruri dei metalli, come LiH, CuH, l'idrogeno ha OX -1 (notiamo che H è posto a destra della formula). Gli ioni monoatomici hanno stato di ossidazione coincidente con la carica elettrica. Il ferro in Fe3+ ha OX +3. Il sodio in NaCl (Na+Cl-) ha OX +1. Il magnesio in MgO (Mg2+O2-) ha OX +2. In uno ione poliatomico la somma degli stati di ossidazione deve equivalere alla carica dello ione. In OH- l'ossigeno ha OX -2 e l'idrogeno ha OX +1. La somma dà -1. In SO42- i 4 ossigeni danno -8. Perché avanzi -2 allo ione, lo zolfo deve avere OX +6. In Cr2O72- i 7 ossigeni danno -14; perché restino due cariche negative i due atomi di cromo devono avere +12, quindi +6 ciascuno. In una molecola o in un composto ionico la somma degli stati di ossidazione deve essere zero (le molecole sono neutre). In H2O ogni idrogeno ha OX +1 e l'ossigeno ha OX -2, quindi +1+1-2=0. In PbO2 i due ossigeni (con OX -2) danno -4; perché il totale sia zero, il piombo deve avere OX +4. In un legame covalente gli elettroni condivisi sono formalmente attribuiti all'atomo più elettronegativo. In PCl3 il fosforo forma tre legami con il più elettronegativo cloro. Quindi il fosforo ha OX +3 e il cloro ha OX -1.
Lo stato di ossidazione non fa distinzione tra valenza covalente o ionica, ma può essere utile saper distinguere i due casi poiché i composti ionici hanno caratteristiche molto diverse da quelli covalenti.
Per quanto riguarda gli stati ionici, in generale i non metalli si trasformano in anioni mentre i metalli diventano cationi. Gli ioni negativi monoatomici con carica superiore a 1 (O2-, N3-, P3-) non possono esistere nelle soluzioni acquose, poiché reagiscono con l'acqua. Essi possono trovarsi solo allo stato solido, combinati con ioni positivi.
Le cariche di tali ioni presentano un andamento periodico evidente, almeno per i gruppi principali.
Leggere e scrivere le formule
Ogni composto è rappresentabile con una formula i cui simboli esprimono, sinteticamente, i tipi di atomi e il loro numero. Per esempio una molecola di CO2, diossido di carbonio, contiene un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. Il numero due, in basso a destra di O, si chiama indice numerico e ci indica quanti atomi di ossigeno ci sono nella molecola o nella formula. A destra del C non ci sono numeri; per convenzione il simbolo nudo sottintende il numero uno.
Nel leggere gli indici di una molecola usiamo i seguenti prefissi:
Prefisso Quantità mono- 1 di- / bi- 2 tri- 3 tetra- 4 penta- 5 esa- 6 epta- 7 otta- 8 nona- 9 deca- 10
La maggior parte dei composti è formata da due parti; una, quella a sinistra nella formula chimica, è costituita da un elemento con carattere metallico o da un catione, mentre l'altra (quella a destra nella formula chimica) è costituita da un non metallo o da un anione. In generale, scriviamo a sinistra della formula l'elemento che ha stato di ossidazione più positivo.
Per i composti binari, cioè formati da due elementi, il nome si costruisce indicando per primo l'elemento scritto a destra (che è più negativo) con la desinenza -uro seguito dal nome dell'altro elemento. Fanno eccezione i composti dell'ossigeno, che vengono chiamati ossidi e non ossigenuri.
Per poter scrivere correttamente le formule bisogna rispettare la regola 6 degli stati di ossidazione, in base alla quale la somma degli stati di ossidazione degli atomi più positivi deve essere uguale e opposta a quella degli elementi non metallici scritti a destra nel composto.
Se tutti e due gli ioni (catione e anione) hanno lo stesso stato di ossidazione in valore assoluto (+1 -1, +2 -2, +3 -3 ecc.), otteniamo la formula scrivendo affiancati i simboli dei due ioni.
Se gli stati di ossidazione sono diversi, la strada più veloce per arrivare alla formula consiste nell'usare lo stato di ossidazione di un elemento come indice dell'altro e viceversa.
Nei composti binari, per esempio, il numero di atomi di ciascun elemento nella formula è uguale allo stato di ossidazione dell'altro elemento, come nella formula del diossido di piombo con stato di ossidazione Pb+4.
Scriviamo i simboli con i rispettivi stati di ossidazione nell'ordine corretto: prima l'elemento più metallico (catione) e poi l'anione non metallico o poliatomico. Lo stato di ossidazione del metallo diventa l'indice del non metallo e viceversa. Nell'eventualità che i due indici della formula abbiano un divisore comune, la formula si semplifica. Nel caso in esame, dividiamo gli indici per 2.
La semplificazione non va fatta in alcuni casi, come quello dell'acqua ossigenata (H2O2) o nel caso in cui l'ossigeno formi un perossido con un elemento del primo gruppo.
Un altro metodo per determinare le formule chimiche è basato sul calcolo del minimo comune multiplo fra le valenze ioniche.
La nomenclatura chimica
La nomenclatura chimica permette di identificare i composti mediante un nome specifico, che si definisce a partire dalla formula della sostanza.
Alcuni composti sono indicati prevalentemente con il loro nome comune: sono un esempio l'acqua (H2O) e l'ammoniaca (NH3). Nella maggior parte dei casi però per attribuire il nome ai differenti composti si utilizzano alcune regole codificate. Esistono diversi sistemi di nomenclatura: la nomenclatura tradizionale, quella IUPAC e la nomenclatura di Stock.
La nomenclatura tradizionale è basata principalmente sulla divisione degli elementi in metalli e non metalli e tiene conto dello stato di ossidazione degli atomi che formano la molecola. La nomenclatura secondo la notazione di Stock, ufficializzata dalla IUPAC nel 1940, fornisce informazioni più chiare sullo stato di ossidazione degli elementi; essa infatti indica gli stati di ossidazione con cifre romane poste tra parentesi. La nomenclatura IUPAC è basata sulle regole redatte dalla IUPAC nel 1959, riviste nel 1971 e nel 1990; essa ci consente di evidenziare, in modo chiaro e immediato, la relazione fra il nome di un composto e la sua formula chimica.
La seguente tabella mostra le radici dei nomi di alcuni elementi usate per attribuire i nomi ai composti.
ZGruppo Elemento Radice del nome1I Idrogeno idr-5III Boro bor-6IV Carbonio carb- o carbon-14 Silicio silic-32Germanio50Stagnostann-7V Azoto nitr- o ammoni-15 Fosforo fosf-16VI Zolfo solf-34 Selenio seleni-9VII Fluoro fluor-17 Cloro clor-35 Bromo brom-53 Iodio iod-
La nomenclatura dei composti binari
Ci sono due classi di composti binari (formati cioè da due elementi chimici): i composti ionici e i composti molecolari.
I composti ionici sono costituiti da un catione metallico (che si scrive per primo nella formula chimica) e da un anione non metallico. I composti più importanti appartenenti a questa classe sono gli idruri ionici (o salini), i sali binari (per esempio gli alogenuri e i solfuri) e gli ossidi basici.
L'altra classe, quella dei composti binari molecolari, comprende gli ossidi acidi (chiamati anidridi nel linguaggio tradizionale) gli idracidi e gli idruri covalenti (o molecolari).
I sali binari
Le formule di questi composti ionici comprendono una parte metallica (la prima) e una non metallica (la seconda).
Nella nomenclatura IUPAC, gli ioni monoatomici negativi sono denominati aggiungendo il suffisso -uro al nome del non metallo da cui derivano.
F- Cl- Br- I- S2- N3- fluoruro cloruro bromuro ioduro solfuro nitruro
Nella denominazione di questi composti, contrariamente a quanto accade nella formula, il nome dello ione positivo segue quello dell'anione.
Formula Nome NaCl cloruro di sodio CaS solfuro di calcio
Se i due elementi si combinano in modi diversi, usiamo i prefissi mono-, di-, tri-, tetra-, penta-, esa-, epta- a seconda del numero di atomi che entrano a far parte del composto.
Come possiamo vedere nella tabella seguente, il suffisso -uro segue il nome dell'anione, che a sua volta è preceduto dal prefisso che indica il numero degli atomi presenti nella formula.
Formula Nome tradizionale Nome secondo Stock Nome IUPAC FeCl2 cloruro ferroso cloruro di ferro(II) dicloruro di ferro FeCl3 cloruro ferrico cloruro di ferro(III) tricloruro di ferro Al2S3 solfuro di alluminio solfuro di alluminio trisolfuro di dialluminio CuCl cloruro rameoso cloruro di rame(I) monocloruro di rame CuCl2 cloruro rameico cloruro di rame(II) dicloruro di rame