Kovalenttiset ja ioniset yhdisteet: Classification, Formulas, and Nomenclature

I: Taustaa

Kemia käsittelee ainetta, ja maailmankaikkeudessa on valtavasti erilaisia aineita. Aineen käyttäytyminen riippuu läsnä olevien alkuaineiden tyypistä ja näiden alkuaineiden rakenteesta – miten ne liittyvät toisiinsa molekyyliksi. Tässä harjoituksessa arvioit joitakin edustavia malleja kehittääksesi sääntöjä, joita käytetään yhdisteen luokitteluun, yhdisteen kaavan ennustamiseen ja yhdisteen nimeämiseen. Tämä harjoitus on vasta alku työlle, jota tarvitaan kaavojen kirjoittamista ja nimikkeistöä koskevien sääntöjen hallitsemiseksi. Oppikirjassasi on taulukoita tavallisten kationien ja anionien nimistä ja kaavoista, ja siinä käsitellään yksityiskohtaisesti nimikkeistön sääntöjä. Sinun on käytettävä jonkin verran aikaa tähän materiaaliin, sillä nomenklatuurin muodollisia sääntöjä ei välttämättä esitetä luennolla, vaikka niitä varmasti käytetäänkin Lewisin rakenteita ja reaktiokemiaa koskevissa keskusteluissa.

II: Harjoitukset

Osa A: Kovalenttinen vai ioninen yhdiste?

Monet yhdisteet, erityisesti ne, joita käsitellään yleisen kemian kursseilla, luokitellaan joko kovalenttisiksi yhdisteiksi tai ionisiksi yhdisteiksi. Yhdisteen luokittelu riippuu yhdisteen alkuaineiden välisen kemiallisen sidoksen tyypistä. Tässä työarkin osassa opit helposti luokittelemaan yhdisteet jompaankumpaan näistä kahdesta luokasta.

Kovalenttisessa yhdisteessä, valenssielektronit jaetaan sidoksen kahden atomin kesken. Ne voivat olla tasaisesti jaettuja (kovalenttinen sidos) tai epätasaisesti jaettuja (polaarinen kovalenttinen sidos). Ionisessa sidoksessa elektronit ovat keskittyneet yhteen atomiin (jolloin sillä on negatiivinen kokonaisvaraus), kun taas toisella atomilla on positiivinen kokonaisvaraus. Sidoksen kahden atomin elektronegatiivisuuden ero voi auttaa ennustamaan, onko sidos todennäköisesti ionisidos, kovalenttinen vai polaarinen kovalenttinen, samoin kuin sidokseen osallistuvien atomien tyyppi (metallit vai epämetallit). Sidos, jossa on kaksi samanlaista atomia, on aina puhdas kovalenttinen, kun taas kovalenttinen sidos, jossa on kaksi erilaista atomia, on todennäköisesti polaarinen kovalenttinen.

Kovalenttisten ja ionisten yhdisteiden ominaisuudet

Huomioi taulukko 1 vastatessasi seuraaviin kysymyksiin.

• Ovatko kovalenttisten yhdisteiden alkuainesosat metalleja, epämetalleja vai molempien seos?

• Ovatko ionisten yhdisteiden alkuaineet metalleja, epämetalleja vai molempien sekoitus?

• Vertaile löydettyjen alkuaineiden tyyppejä (metallit tai epämetallit) näiden kahden luokittelun osalta. Minkä suuntauksen näet esiintyvän alkuaineen tyypin ja luokituksen välillä?

Yhdisteiden luokittelu

• Luokittele kunkin kovalenttisen yhdisteen sidostyyppi polaariseksi tai poolittomaksi kovalenttiseksi.

• Minkä suuntauksen näet yhdisteen luokittelussa ja yhdisteen alkuaineiden välillä muodostuvan sidoksen tyypissä?

• Kirjoita sääntö, jonka avulla voit luokitella yhdisteen ioniseksi tai kovalenttiseksi sen perusteella, mitä opit tutkiessasi mallia osassa A.

Osa B: Ionisen yhdisteen kaavan ennustaminen

Kemiallisessa kaavassa käytetään alaindeksejä määrittelemään jonkin atomin tyypin lukumäärät kaavassa. Esimerkiksi O2 tulkitaan kahden happiatomin muodostamaksi molekyyliksi, ja CH3OH tulkitaan molekyyliksi, jossa on yksi hiili, neljä vetyatomia ja yksi happi. Yliaakkosia käytetään ionin varauksen määrittämiseen. Al3+ tulkitaan yhdeksi alumiiniatomiksi, jonka varaus on 3+, jolloin kyseessä on alumiinikationi.Jotkin ionit ovat atomisia, kuten Al3+ tai F-, mutta on myös moniatomisia ioneja. Moniatomisella ionilla tarkoitetaan hiukkasta, joka koostuu useammasta kuin yhdestä atomista, jotka yhdessä kantavat ionisen varauksen. OH- (hydroksidi-anioni) on hiukkanen, jossa on yksi happi- ja yksi vetyatomi, ja koko kokonaisuudella on negatiivinen varaus; NO3- (nitraatti) on yksi typpi- ja kolme happiatomia, ja koko hiukkanen kantaa negatiivista varausta. Jos yhdisteen kaavassa on ylinumero, voidaan olettaa, että aine on ioni, kun taas jos kaavassa ei ole ylinumeroa, voidaan olettaa, että molekyylin varaus on nolla (neutraali).

Ioniyhdisteiden ominaisuudet

• Tarkastellaan ensimmäistä saraketta, mikä on kunkin ioniyhdisteen varaus?

• Ioniyhdisteen kaavan perusteella, kuinka monta kationia ja kuinka monta anionia kussakin ioniyhdisteessä on?

• Mikä on kationien kokonaisvarauksen ja anionien kokonaisvarauksen summa? Ota huomioon kunkin yhdisteen kaavassa esiintyvän ionin lukumäärä sekä kunkin ionin varauksen merkki.

Tasapainovaraukset ionisissa yhdisteissä

• Miksi AlF3:n ionisen yhdisteen kaavassa on enemmän F-ioneja kuin NaF:n?

• Miksi sulkuja tarvitaan kaavoissa, joissa yhdisteessä on useita moniatomisia ioneja?

• Tarkastellaan kationia, jolla on 4+ varaus ja anionia, jolla on 2- varaus. Kuinka monta kationia ja kuinka monta anionia tarvittaisiin näiden kahden ionin välille muodostuvaan ioniyhdisteeseen?

• Kirjoita sääntö, jonka avulla voit ennustaa ionisen yhdisteen kaavassa esiintyvien kationien ja anionien lukumäärät. Tee luettelo siitä, mitä sinun on tiedettävä, jotta voit kirjoittaa ionisen yhdisteen kaavan.

Osa C: Kovalenttisten ja ionisten yhdisteiden nimikkeistö

Nimikkeistö on yhdisteiden systemaattista nimeämistä siten, että yhdisteessä esiintyvien alkuaineiden tai ionien lukumäärät ja tyypit ilmoitetaan. Nomenklatuurisääntöjen ymmärtäminen on yhä tärkeämpää orgaanisessa kemiassa, koska on olemassa miljoonia orgaanisia yhdisteitä, jotka sisältävät vain C:tä, H:ta ja O:ta – jos haluat ilmoittaa, mistä yhdisteestä puhut, sinun on ymmärrettävä, miten yhdiste nimetään, kun sille annetaan kaava tai rakenne, ja miten yhdisteen kaava tai rakenne kirjoitetaan nimen perusteella. Esimerkiksi dimetyylieetterissä ja etanolissa on molemmissa kaksi hiiliatomia, yksi happi ja kuusi vetyatomia, mutta toista näistä molekyyleistä voidaan käyttää jäädytyssuihkeena syylien poistamiseen, ja toinen on hermostoa lamaannuttava aine, joka tekee ihmiset humalaan. on paljon helpompaa viitata etanoliin etanolina kuin viitata siihen orgaanisena yhdisteenä, jossa on kaksi hiiliatomia, kuusi vetyatomia ja yksi happi ja joka tekee ihmiset humalaan. Aloitamme nimikkeistön tutkimisen yksinkertaisilla kovalenttisilla yhdisteillä ja ioniyhdisteillä. Nimikkeistö ei ole vaikeaa, mutta se on… työlästä. Nimikkeistön kanssa ei voi välttyä ulkoa opettelulta. Nimikkeistön säännöt ja eri ionien kaavat ja varaukset on tunnettava, jotta yhdisteet voidaan nimetä oikein kaavoista tai kirjoittaa kaavat nimistä.

Kovalenttisten yhdisteiden nimikkeistö

Taulukon 3 kovalenttisten yhdisteiden osalta, vastaa seuraaviin kysymyksiin.

• Onko kaavaan ensin kirjoitettu alkuaine kaavan alkuaineista elektronegatiivisempi vai vähemmän elektronegatiivinen? Muuttuuko tämä järjestys yhdisteen nimessä? Mikä muuttuu yhdisteen nimessä?

• Kuvaile, miten alkuaineiden lukumäärä kaavassa välittyy yhdisteen nimessä.

• Tarkastellaan yllä olevan taulukon yhdisteitä, joissa on hiili ja happi tai typpi ja happi. Miksi on tärkeää ilmoittaa kunkin alkuaineen lukumäärä nimessä? Miksi esimerkiksi hiilestä ja hapesta koostuvalle yhdisteelle ei toimisi antaa nimeä hiilioksidi?

Ionisten yhdisteiden nimikkeistö

Vastaa taulukossa 4 esitettyjen ioniyhdisteiden osalta seuraaviin kysymyksiin.

• Kirjoitetaanko kaavassa ensin kationi vai anioni? Muuttuuko tämä järjestys nimessä?

• Onko kationien tai anionien lukumäärä kaavassa ilmoitettu yhdisteen nimessä? Miksi tämä on mielestäsi tarpeetonta?

• Kationien nimet ovat samat kuin taulukon alkuaineiden nimet pääryhmän metalleille, mutta eivät kuparin ja raudan kationeille. Mitä merkitystä on roomalaisella numerolla kuparin ja raudan kationien nimissä?

Nimikkeistön sääntöjen analysointi

• Kirjoita lyhyt kuvaus kovalenttisten yhdisteiden nimeämissäännöistä taulukossa 3 tutkittujen yhdisteiden perusteella.

• Jos hapen anionin nimi on oksidi ja kloorin anionin nimi on kloridi, ennusta rikin, bromin ja typen anionien nimet. Mikä olisi kunkin anionin varaus?

• Kirjoita lyhyt kuvaus kovalenttisten yhdisteiden nimeämissäännöistä taulukossa 4 tutkittujen yhdisteiden perusteella.

• Miksi alkalimetallien tai maa-alkalimetallien kationien varausta ei tarvitse ilmoittaa, mutta siirtymämetallien kationien varaus on ilmoitettava?

Tämä on ollut lyhyt johdatus kovalenttisten ja ionisten yhdisteiden systemaattiseen nimeämiseen. Tässä on esitelty vain pieni osa monista mahdollisista yhdisteistä, mutta jos tunnet nimityssäännöt ja tiedät ionien kaavat, voit nimetä mitä tahansa tai tulkita mitä tahansa nimeä.

Osa D: Anionien nimistö -idit, -iitit, -aatit

.

Rikin anionien nimeäminen, Typpi ja fosfori

• Miten anionin varaus liittyy neutraalin alkuaineen elektronikonfiguraatioon ja alkuaineen asemaan jaksollisessa järjestelmässä? Miten alkuaineen elektronikonfiguraatio muuttuu, kun se muodostaa kyseisen anionin?

• Saman alkuaineen anionien sarjassa (esimerkiksi rikkiä sisältävät anionit), mikä muuttuu anionin kaavassa siirryttäessä -ide-anionista -iitti- ja -ate-anioniin?

• Minkä suuntauksen näet happiatomien määrässä anionien -ate-muodoissa anionien -ite-muotoihin? Minkä suuntauksen näet -ate- ja -ite-anionien varauksissa?

• Kirjoita lausuma, joka kuvaa, miten voisit ennustaa sellaisen alkuaineen anionin varauksen, jolla olisi -ide-pääte (esimerkiksi kloridi tai sulfidi).

• Yleisnimitys -ate- ja -ite-anionien kokoelmalle on oksianioni. Selitä, miksi näitä ioneja kutsutaan oksianioneiksi.

• Kirjoita lausuma, joka kuvaa, miten alkuaineen -ite-anionin kaava määritetään kyseisen alkuaineen -ate-anionin kaavasta.

Part E: Anionien – per-aatit, -aatit, -iitit, hypo-iitit – nimikkeistö

Tarkastellaan alla olevaa taulukkoa 6.

Kloorin ja bromin anionien nimeäminen

• Alkaen kloraatista ja bromaatista, kuvaile perkloraatin ja perbromaatin kohdalla havaittavaa kaavan muutosta.

• Kuvaile kloraatista ja bromaatista lähtien hypokloriitille ja hypobromiitille nähtävä muutos kaavassa.

• Kirjoita yleinen lausuma, joka kuvaa, miten alkuaineen per-ate-anionin kaava voidaan määrittää kyseisen yhdisteen -ate-anionin kaavasta.

• Kirjoita yleinen lausuma, joka kuvaa, miten alkuaineen hypo-it-anionin kaava määritetään kyseisen yhdisteen -it-anionin kaavasta.

Part F: Oksihappojen -ic-happojen ja -ous-happojen -nimikkeistö

Tarkastellaan alla olevaa taulukkoa 7.

Happohappojen nimeäminen

• Mikä on kunkin hapon kationin identiteetti?

• Mikä on -aattioksyanionien happojen nimien suuntaus?

• Mikä on -iittioksyanionien happojen nimien trendi?

• Kirjoita yleinen lausuma, joka kuvaa, miten voidaan ennustaa oksyylihapon kaava ja nimi, kun annetaan oksianionin kaava ja nimi.

Osa G: Nimikkeistöbingo

Opettajasi antaa sinulle bingokortin, joka sisältää sekoituksen kemiallisia kaavoja ja nimiä. Hän huutaa puuttuvat tiedot, ja sinun on ilmoitettava, onko sinulla vastaava kaava tai nimi. Ensimmäinen oppilas, joka saa viisi vastaavaa peräkkäin, sarakkeessa tai diagonaalisesti, huutaa seuraavan kemikaalisarjan.