Kovalente og ioniske forbindelser: Klassifikation, formler og nomenklatur

Organisering

• –

  Pre-Lab: ingen pre-lab

• –

  Mode:

• –

  Karaktergivning: laboratoriehæfte, rapport efter laboratoriet

• –

  Sikkerhed: Ingen specifikke sikkerhedskrav

I: Baggrund

Kemi beskæftiger sig med stof, og der findes et enormt udvalg af stof i universet. Stoffets opførsel afhænger af den type grundstoffer, der er til stede, og af disse grundstoffers struktur – hvordan de er forbundet for at danne et molekyle. I denne øvelse skal du vurdere nogle repræsentative modeller for at udvikle de regler, der anvendes til at klassificere en forbindelse, forudsige en forbindelses formel og navngive forbindelsen. Denne øvelse er blot begyndelsen på det arbejde, der skal gøres for at beherske reglerne for at skrive formler og nomenklatur. Din lærebog indeholder tabeller med navne og formler for almindelige kationer og anioner, og den behandler nomenklaturreglerne i detaljer. Du bliver nødt til at bruge noget tid på dette materiale, da de formelle nomenklaturregler måske ikke bliver præsenteret i forelæsningen, selv om de helt sikkert vil blive brugt i diskussioner om Lewis-strukturer og reaktionskemi.

II: Øvelser

Del A: Kovalente eller ioniske forbindelser?

Mange forbindelser, især dem, der diskuteres i generelle kemi-kurser, klassificeres som enten kovalente forbindelser eller ioniske forbindelser. Klassifikationen af en forbindelse afhænger af typen af kemisk binding mellem grundstofferne i forbindelsen. I denne del af arbejdsarket lærer du at lære at klassificere forbindelser let i en af de to kategorier.

I en kovalent forbindelse, deles valenselektronerne mellem de to atomer i bindingen. Disse kan være jævnt fordelt (kovalent binding) eller ujævnt fordelt (polær kovalent binding). I en ionisk binding er elektronerne lokaliseret til et af atomerne (hvilket giver det en samlet negativ ladning), mens det andet atom har en samlet positiv ladning. Forskellen i elektronegativitet mellem de to atomer i bindingen kan være med til at forudsige, om bindingen sandsynligvis vil være ionisk, kovalent eller polær kovalent, ligesom typen af involverede atomer (metaller eller ikke-metaller) kan være med til at forudsige, om bindingen er ionisk, kovalent eller polær kovalent. En binding med to identiske atomer er altid ren kovalent, mens en kovalent binding med to forskellige atomer sandsynligvis er polær kovalent.

Karakteristika ved kovalente og ioniske forbindelser

Overvej tabel 1, når du besvarer følgende spørgsmål.

• Er grundstofferne i de kovalente forbindelser metaller, ikke-metaller eller en blanding af begge?

• Er grundstofferne i de ioniske forbindelser metaller, ikke-metaller eller en blanding af begge dele?

• Sammenlign de typer af grundstoffer, der findes (metaller eller ikke-metaller) for de to klassifikationer. Hvilken tendens kan du se i den type grundstof, der findes, og i klassifikationen?

Klassificering af forbindelser

• For hver kovalent forbindelse skal du klassificere bindingstypen som polær eller upolær kovalent.

• Hvilken tendens kan du se i forbindelse med klassificeringen af forbindelsen og den type binding, der er dannet mellem grundstofferne i forbindelsen?

• Skriv en regel, der gør det muligt for dig at klassificere en forbindelse som ionisk eller kovalent på baggrund af det, du lærte ved at udforske modellen i del A.

Del B: Forudsigelse af formlen for en ionisk forbindelse

I en kemisk formel bruges subskriptorer til at angive antallet af en atomtype i formlen. F.eks. fortolkes O2 som et molekyle dannet af to oxygenatomer, og CH3OH fortolkes som et molekyle med et kulstof, fire hydrogener og et oxygen. Superscripts bruges til at angive ladningen af en ion. Al3+ fortolkes som værende et enkelt aluminiumatom med en ladning på 3+, hvilket gør dette til aluminiumkationen. nogle ioner er atomare, som Al3+ eller F-, men der findes også polyatomare ioner. En polyatomisk ion er en partikel, der består af mere end ét atom, som tilsammen bærer en ionisk ladning. OH- (hydroxid-anionen) er en partikel bestående af et oxygen- og et hydrogenatom, og hele enheden har en negativ ladning; NO3- (nitrat) består af et nitrogen- og tre oxygenatomer med en negativ ladning, som hele partiklen bærer. Hvis formlen for en forbindelse har en overskrift, kan det antages, at stoffet er en ion, mens hvis formlen ikke har nogen overskrift, kan det antages, at molekylets ladning er nul (neutral).

Karakteristika for ioniske forbindelser

• Når man ser på den første kolonne, hvad er ladningen af hver enkelt ionisk forbindelse?

• Ud fra formlen for den ioniske forbindelse, hvor mange kationer og hvor mange anioner er der i hver ionisk forbindelse?

• Hvad er summen af den samlede kationladning plus den samlede anionladning? Tag hensyn til antallet af hver ion, der er til stede i forbindelsens formel, samt til fortegnet på hver ions ladning.

Balancering af ladningen i ionforbindelser

• Hvorfor har AlF3 flere F-ioner i ionforbindelsens formel end NaF?

• Hvorfor er der brug for parenteser i formlerne med flere polyatomare ioner i forbindelsen?

• Overvej et kation med en 4+-ladning og en anion med en 2-ladning. Hvor mange kationer og hvor mange anioner vil der være behov for i en ionisk forbindelse, der dannes mellem disse to ioner?

• Skriv en regel, der gør det muligt at forudsige antallet af kationer og anioner, der er til stede i formlen for en ionisk forbindelse. Lav en liste over, hvad du har brug for at vide for at kunne skrive formlen for en ionisk forbindelse.

Del C: Nomenklatur for kovalente og ioniske forbindelser

Nomenklatur er den systematiske navngivning af forbindelser, således at antallet og arten af de elementer eller ioner, der er til stede i forbindelsen, bliver kommunikeret. Forståelse af nomenklaturreglerne bliver stadig vigtigere i organisk kemi, fordi der findes millioner af organiske forbindelser, som kun indeholder C, H og O – for at kommunikere, hvilken forbindelse man taler om, skal man forstå, hvordan man navngiver forbindelsen, når man får en formel eller struktur, og hvordan man skriver en forbindelses formel eller struktur ud fra navnet. F.eks. har dimethylether og ethanol begge to kulstof-, et ilt- og seks brintatomer, men det ene af disse molekyler kan bruges som en frostspray til at fjerne vorter, og det ene er et nervesystemdepressivt middel, der gør folk fulde. det er meget nemmere at omtale ethanol som ethanol end at omtale det som den organiske forbindelse med to kulstof-, seks brint- og et iltatomer, der gør folk fulde. Vi vil begynde udforskningen af nomenklaturen med simple kovalente forbindelser og med ionforbindelser. Nomenklatur er ikke vanskelig, men den er … kedelig. Der er ingen vej uden om noget udenadslære med nomenklatur. Man skal kende nomenklaturreglerne og formlerne og ladningerne for de forskellige ioner for at kunne navngive forbindelser korrekt ud fra formler eller skrive formlerne ud fra navne.

Nomenklatur for kovalente forbindelser

For de kovalente forbindelser i tabel 3, besvare følgende spørgsmål.

• Er det første grundstof, der er skrevet i formlen, det mere elektronegative af grundstofferne i formlen, eller det mindre elektronegative af grundstofferne? Ændres denne rækkefølge i navnet på forbindelsen? Hvad ændrer sig i navnet på forbindelsen?

• Beskriv, hvordan antallet af grundstoffer i formlen formidles i navnet på forbindelsen.

• Overvej forbindelserne i tabellen ovenfor med kulstof og ilt eller med nitrogen og ilt. Hvorfor er det vigtigt at kommunikere antallet af de enkelte grundstoffer i navnet? Hvorfor ville det f.eks. ikke fungere at give navnet carbonoxid for en forbindelse, der består af kulstof og oxygen?

Nomenklatur for ionforbindelser

For ionforbindelserne i tabel 4 skal du besvare følgende spørgsmål.

• Er det kationen eller anionen, der står først i formlen? Ændres denne rækkefølge i navnet?

• Er antallet af kationer eller anioner i formlen kommunikeret i navnet på forbindelsen? Hvorfor mener du, at det er unødvendigt at gøre dette?

• Navnene på kationerne er de samme som navnene på grundstofferne for metaller i hovedgruppen i tabellen, men ikke for kobber- og jernkationer. Hvilken betydning har det romerske tal i navnene på kobber- og jernkationerne?

Analyse af nomenklaturregler

• Skriv en kort beskrivelse af reglerne for navngivning af kovalente forbindelser med udgangspunkt i de forbindelser, der er undersøgt i tabel 3.

• Hvis iltets anion hedder oxid, og klors anion hedder klorid, så forudsig navnet på svovl-, brom- og kvælstofanionerne. Hvad vil ladningen være for hver af disse anioner?

• Skriv en kort beskrivelse af reglerne for navngivning af kovalente forbindelser med udgangspunkt i de forbindelser, der er undersøgt i tabel 4.

• Hvorfor er det ikke nødvendigt at angive ladningen af alkalimetallernes og de alkaliske jordalkalimetallers kationer, men det er nødvendigt at angive ladningen af overgangsmetallernes kationer?

Dette har været en kort introduktion til den systematiske navngivning af kovalente og ioniske forbindelser. Kun en lille del af de mange mulige forbindelser er blevet præsenteret her, men hvis man kender nomenklaturreglerne, og man kender ionernes formler, kan man navngive hvad som helst eller fortolke hvilket som helst navn.

Del D: Nomenklatur for anioner -ides, -ites, -ates

Nævnelse af svovlanioner, Nitrogen og fosfor

• Hvordan hænger ladningen på anionen for -ideanionerne sammen med det neutrale grundstofs elektronkonfiguration og grundstoffets position i det periodiske system? Hvordan ændres grundstoffets elektronkonfiguration, når det danner den angivne anion?

• I rækken af anioner af det samme grundstof (f.eks. de svovlholdige anioner), hvilke ændringer i anionens formel sker der ved at gå fra -ide-anionen til -ite- og -ate-anionen?

• Hvilken tendens kan du se i antallet af oxygenatomer i -ate-formerne af anionerne til -ite-formerne af anionerne? Hvilken tendens kan du se i ladningen af -ate- og -ite-anionerne?

• Skriv et udsagn, der beskriver, hvordan du kunne forudsige ladningen på anionen af et grundstof, der ville have -ide-endelsen (f.eks. chorid eller sulfid).

• Den generelle betegnelse for samlingen af -ate- og -ite-anioner er oxyanion. Forklar, hvorfor disse ioner kaldes oxyanioner.

• Skriv et udsagn, der beskriver, hvordan man kan bestemme formlen for et grundstofs -ite-anion ud fra formlen for dette grundstofs -ate-anion.

Del E: Nomenklatur for anioner – per-ates, -ates, -ites, -ites, hypo-ites

Se tabel 6 nedenfor.

Benævnelse af anioner af klor og brom

• Med udgangspunkt i chlorat og bromat, beskrives den ændring i formlen, der ses for perchlorat og perbromat.

• Beskriv med udgangspunkt i chlorat og bromat den ændring i formlen, der ses for hypochlorit og hypobromit.

• Skriv et generelt udsagn, der beskriver, hvordan man kan bestemme formlen for per-at-anionen af et grundstof ud fra formlen for -at-anionen af den pågældende forbindelse.

• Skriv en generel erklæring, der beskriver, hvordan man kan bestemme formlen for et grundstofs hypo-it-anion ud fra formlen for -it-anionen af den pågældende forbindelse.

Del F: Nomenklatur for oxysyrer – de -iske syrer og de -øse syrer

Overvej nedenstående tabel 7.

Benævnelse af oxysyrer

• Hvad er identiteten af kationen for hver af syrerne?

• Hvad er tendensen i navnet på syrer af -at oxyanionerne?

• Hvad er tendensen i navnet på syrer af -ite-oxyanionerne?

• Skriv et generelt udsagn, der beskriver, hvordan man kan forudsige formlen og navnet på en oxysyre, når man får formlen og navnet på oxyanionen.

Del G: Nomenklaturbingo

Din instruktør giver dig et bingokort med en blanding af kemiske formler og navne. De vil råbe de manglende oplysninger op, og du skal angive, om du har den matchende formel eller det matchende navn. Den første elev, der får fem rigtige formler i en række, kolonne eller diagonal, vil råbe det næste sæt kemikalier op.