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Chimica inorganica

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Che cosa hanno in comune i sali, le batterie delle auto, i detergenti e le lattine? Risposta: sono tutti esempi di sostanze che si trovano in chimica inorganica.

La chimica inorganica è una branca della chimica che studia la struttura, le proprietà e la reattività dei composti inorganici.

  • Questo articolo è un'introduzione alla chimica inorganica.
  • Inizieremo a definire cos'è la chimica inorganica e a confrontarla con la chimica organica.
  • In seguito, esamineremo alcuni suoi concetti chiave.
  • Infine, introdurremo alcuni argomenti che saranno trattati negli articoli successivi.

Che cosa sono i composti inorganici?

Prima di proseguire, definiamo i composti inorganici.

I composti inorganici sono composti che non sono a base di carbonio.

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.

Chimica Inorganica tavola periodica StudySmarter

Figura 1. La tavola periodica.
La chimica inorganica si focalizza sui composti che non sono a base di carbonio. Qui, il carbonio è evidenziato in rosa. StudySmarter Originals

La chimica inorganica non ignora il carbonio, ma piuttosto i composti a base di carbonio. Si tratta di composti basati su legami C-C e C-H. Tali composti sono chiamati composti organici e vengono trattati in chimica organica. Sono così chiamati perché inizialmente gli scienziati credevano che si potessero trovare solo negli organismi viventi, ma ora sappiamo che non è così. Nella chimica inorganica, invece, si trovano strutture come la grafite e il diamante, entrambi fatti di solo carbonio!

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.

Chimica Inorganica batteria auto elettrica StudySmarter

Figura 2. Schema semplificato della batteria di un'auto elettrica.
StudySmarter Originals

Le basi della chimica inorganica

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

La tavola periodica

La tavola periodica è una disposizione tabellare degli elementi chimici, organizzati in base al numero atomico e alle loro proprietà.

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.

Chimica inorganica tavola periodica blocchi  StudySmarter

Figura 3. La tavola periodica suddivisa in quattro blocchi

commons.wikimedia.org

Ioni

Gli ioni sono specie che si formano quando un atomo perde o acquista uno o più elettroni per formare una particella carica.

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 indicano il numero totale di elettroni che sono stati rimossi da un elemento (stato di ossidazione positivo) o aggiunti a un elemento (stato di ossidazione negativo) per raggiungere il suo stato attuale.

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.

Le redox sono reazioni in cui avviene sia l'ossidazione che la riduzione. Quando una specie viene ossidata, perde elettroni, mentre quando una specie viene ridotta acquista elettroni.

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

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

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.

Un acido è un donatore di protoni mentre una base è un accettore di protoni.

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

Stati di transizione

Lo stato di transizione, è lo stadio di una reazione in cui alcuni legami sono parzialmente rotti e altri parzialmente formati. A questo punto, le molecole si trovano al loro massimo livello energetico, rendendo gli stati di transizione estremamente instabili.

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.

Non tutte le molecole che iniziano a reagire insieme portano a termine la reazione. Nello stato di transizione, c'è esattamente il 50% di possibilità che la reazione finisca. La teoria degli stati di transizione ci dice che una volta che una reazione supera lo stato di transizione, tende sempre a completarsi.

Chimica inorganica stato di transizione StudySmarter

Figura 4. Stato di transizione di una reazione.

StudySmarter Originals

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 .
  • I solfati sono composti contenenti lo ione
  • 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.

Un metallo di transizione è un elemento che forma ioni con un guscio d riempito parzialmente.

La maggior parte dei metalli di transizione si trova nel blocco d della tavola periodica, ma non tutti gli elementi del blocco d sono metalli di transizione. Per esempio, lo zinco forma solo ioni Zn2+ con un sottoguscio 3d completo, 3d10, e quindi non è un metallo di transizione. Si può anche notare che gli elementi del blocco f sono considerati metalli di transizione, spesso noti come metalli di transizione interni. Nella tavola periodica qui sotto, abbiamo riportato gli elementi del blocco f in viola e gli elementi del blocco d in blu, con i metalli di transizione all'interno del blocco d cerchiati in rosso.

Chimica inorganica tavola periodica blocco d e f  StudySmarter

Figura 5. La tavola periodica con gli elementi nel blocco d e f evidenziati. StudySmarter Originals

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.

Assicurati di scoprire gli argomenti di chimica inorganica che possono essere richiesti dalla tua commissione d'esame. Non tutte le commissioni d'esame ti metteranno alla prova su tutti gli argomenti, anche se imparare di piú non fa mai male!

Chimica Inorganica - Punti Chiave

Domande frequenti riguardo Chimica inorganica

La chimica organica è una materia che studia la struttura, la reattività e le proprietà delle molecole a base di carbonio. La chimica inorganica, invece, studia la struttura, la reattività e le proprietà dei composti non basati sul carbonio.

La chimica inorganica svolge un ruolo importante nella vita quotidiana. Ad esempio, è utilizzata per progettare e sviluppare prodotti come catalizzatori, vernici, batterie, tensioattivi, detergenti, gioielli e farmaci.

Inorganico significa non basato sul carbonio. Le molecole organiche si basano su legami C-C e C-H mentre i composti inorganici si basano su tutti gli altri elementi della tavola periodica. Ne sono un esempio i sali e i minerali.

Esempi di composti inorganici sono i sali, i minerali, gli acidi e i metalli. Le applicazioni della chimica inorganica comprendono la progettazione di farmaci, batterie, prodotti elettronici e per la pulizia.

Certo, i meccanismi esistono anche in chimica inorganica, ma non li incontrerai a questo livello di studio.

Quiz Finale Chimica inorganica

Che cos’è la chimica inorganica?  

La chimica inorganica è una branca della chimica che si occupa della struttura, delle proprietà e della reattività dei composti inorganici

Cosa sono i composti inorganici?

Composti non basati sul carbonio cioè che non si basano su legami C-C e C-H

Le righe nella tavola periodica sono chiamate _______.

Periodi

Le colonne nella tavola periodica sono chiamate ______.

Gruppi

La tavola periodica mostra periodicità. Cosa significa?

Presenta schemi che si ripetono su ogni riga

Vero o falso: gli ioni sono particelle neutre.

Falso

I cationi hanno carica _____ .

Positiva

Gli anioni hanno carica _____ .

Negativa

Quali dei seguenti elementi si trovano nella tavola periodica?

Metalli

Quali sono i due processi che avvengono nelle reazioni redox?

Ossidazione e riduzione

Nelle reazioni redox, un agente riducente _______ un'altra specie ed è ______ esso stesso.


Riduce, ossidato

Definire lo stato di ossidazione 

Lo stato di ossidazione indica il numero totale di elettroni che sono stati rimossi da un elemento (stato di ossidazione positivo) o aggiunti a un elemento (stato di ossidazione negativo) per arrivare al suo stato attuale

Qual è lo stato di ossidazione del Cu(II)?

2+

Definire lo stato di transizione

Lo stato di transizione è una particolare configurazione che si forma a metà di una reazione chimica e corrisponde al livello energetico più alto della reazione

Definire un sale

Composto ionico che si forma quando uno ione positivo si lega a uno ione negativo per attrazione elettrostatica.

Definire un minerale

Solido inorganico presente in natura con una composizione chimica definita e una struttura cristallina

 Definire un composto organometallico

Composto contenente almeno un legame tra un atomo di carbonio di un composto organico e un metallo o un metalloide

Quali dei seguenti sono argomenti di chimica inorganica?

Periodicità

 Definire un metallo di transizione

Elemento che forma ioni con un sottoguscio d parzialmente riempito

Indicare il nome comune e il nome IUPAC corretto del gruppo 7.

Gruppo 17

Qual è il nome dei sei elementi del gruppo 7?

Fluoro, cloro, bromo, iodio, astatina, tennessina.

Quali delle seguenti affermazioni sono generalmente vere riguardo al gruppo 7?

Sono non metalli

Quali delle seguenti affermazioni sono generalmente vere riguardo al gruppo 7?

Hanno elevata elettronegatività

Gli ioni formati da atomi di alogeno sono chiamati ______.

Alogenuri

Metallo + alogeno → ______.

Sale di alogenuro metallico

Quale delle seguenti tendenze aumenta scendendo nel gruppo 7?

Elettronegatività

Come vengono chiamati collettivamente fluoro, cloro, bromo e iodio?


Gli alogeni stabili


Fornire tre esempi di reazioni degli alogeni

Reazione con idrogeno, con un metallo, con idrossido di sodio, in una reazione di spostamento

Fornire due esempi di reazioni degli alogenuri

Reazione con acido solforico, con soluzione di nitrato d'argento.

Aggiungendo una soluzione acidificata di nitrato d'argento a una soluzione contenente ioni cloruro si ottiene ____.

Un precipitato bianco

L'aggiunta di una soluzione acidificata di nitrato d'argento a una soluzione contenente ioni ioduro produce ____.

Un precipitato giallo.

Cosa succede quando si aggiunge una soluzione diluita di ammoniaca al bromuro d'argento solido?

Nessuna reazione. Tuttavia, il bromuro d'argento si scioglie in una soluzione concentrata di ammoniaca.

Indicare tre usi degli elementi del gruppo 7.

Ad esempio, come disinfettante, nelle molecole organiche utilizzate per la produzione di materie plastiche, come additivi, negli estintori

Il processo a contatto viene utilizzato per produrre quale sostanza chimica?


Acido cloridrico

Scrivete due equazioni per mostrare come l'ossido di vanadio (V) catalizzi la reazione tra anidride solforosa e ossigeno nel processo a contatto.



SO2 + V2O5 ➔ SO3 + V2O4


V2O4 + ½O2 ➔ V2O5

Scrivere due equazioni per mostrare come gli ioni Mn2+ autocatalizzano la reazione tra gli ioni manganato negativi (MnO4-) e gli ioni etanedioato negativi (5C2O42-).

4Mn2+ (aq)  +  MnO4(aq) + 8H(aq)   →   5Mn3+ (aq)  + 4H2O (aq)


2Mn3+ (aq)  +  C2O42- (aq)  →  2CO2 (g) +  2Mn2+ (aq)


Identificare le specie intermedie nel seguente ciclo redox:


2Fe3+ + 2I- ➔ 2Fe2+ + I2


S2O82- + 2Fe2+ ➔ 2SO42- + 2Fe3+

Fe2+

Che cos'è l'autocatalisi?

Si parla di autocatalisi quando un processo è catalizzato da uno dei prodotti di reazione.

Come avviene la catalisi omogenea?

Nella catalisi omogenea, la reazione procede attraverso una specie intermedia.

Descrivete il ciclo redox dell'ossido di vanadio(V) che ha luogo nel processo a contatto.

  • Fase 1: l'anidride solforosa si adsorbe sull'ossido di vanadio(V). Si verifica una reazione di ossidoriduzione quando il vanadio si riduce da +5 a +4. Il triossido di zolfo si desorbe.
  • Fase 2: un'altra reazione redox si verifica quando l'ossigeno reagisce sulla superficie del catalizzatore. L'ossido di vanadio(IV) viene ossidato nuovamente a +5. Il catalizzatore originale, V2O5, viene rigenerato. 

Quale catalizzatore viene utilizzato nel processo di contatto?

Palladio

Che cos'è un catalizzatore omogeneo?

Un catalizzatore omogeneo si trova nella stessa fase dei reagenti.

Quali sono le fasi della teoria dell'adsorbimento superficiale?

  • Adsorbimento: i reagenti si attaccano ai siti attivi della superficie del catalizzatore.
  • Reazione: la reazione avviene mentre i reagenti sono attaccati ai siti attivi.
  • Desorbimento: i prodotti si staccano dalla superficie del catalizzatore.

I processi Haber e a contatto sono esempi di quale tipo di catalisi?

Catalisi eterogenea

Quale catalizzatore viene utilizzato nel processo Haber-Bosch?

Zinco

Che cos'è un catalizzatore eterogeneo?

Un catalizzatore eterogeneo si trova in una fase diversa da quella dei reagenti. La reazione avviene nei siti attivi sulla superficie del catalizzatore

Che cos'è un catalizzatore?

Un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica senza comparire nei prodotti della reazione stessa.

Quali sono le quattro geometrie che possono avere gli ioni complessi?

1. Tetraedrica

2. Ottaedrica

3. Quadrato planare

4. Lineare

Che cos'è un legame di coordinazione?

Un legame di coordinazione è un legame covalente in cui un atomo mette a disposizione una coppia di elettroni.

Che cos'è il numero di coordinazione di un composto di coordinazione?

Il numero di coordinazione indica il numero di legami coordinativi in un composto di coordinazione.

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