Atomi di elementi diversi possono unirsi in due modi principali. In un legame ionico, un metallo cede uno o più elettroni a un non metallo, formando ioni di carica opposta che sono tenuti insieme dall’attrazione elettrica. I legami covalenti si formano da due o più non metalli che condividono elettroni. I composti ionici non formano molecole in quanto tali, ma invece, nella forma solida, sono costituiti da reticoli cristallini tridimensionali contenenti un gran numero di atomi. Alcuni composti covalenti possono formare reti cristalline simili. Un’unità di formula è il più piccolo rapporto tra atomi di elementi diversi in questo tipo di struttura che può essere espresso come numeri interi.
Composti Ionici
Un semplice esempio è il cloruro di sodio, o sale comune, un composto degli elementi sodio e cloro. Un cristallo di sale è costituito da ioni sodio caricati positivamente legati a ioni cloruro caricati negativamente: gli ioni negativi formati da non metalli terminano in “–ide”. Il cristallo contiene un numero enorme di ioni sodio e cloruro, ma c’è uno ione cloruro per ogni ione sodio, quindi l’unità della formula mostra uno di ciascuno. I simboli chimici per sodio e cloro sono rispettivamente Na e Cl, quindi l’unità della formula è scritta come NaCl.
Molti composti ionici sono leggermente più complessi, ad esempio l’ossido di alluminio. Qui, l’ossigeno cerca due elettroni e l’alluminio ne vuole dare tre. Possono quindi formare un composto stabile con l’unità di formula Al2O3. Il numero di atomi di un elemento in qualsiasi tipo di formula chimica appare in pedice ea destra del simbolo per quell’elemento. Se è presente un solo atomo, il numero in pedice viene omesso.
Composti covalenti
Sebbene i composti e le sostanze covalenti spesso formino molecole distinte e autonome, possono anche formare strutture cristalline. Ad esempio, il biossido di silicio, noto anche come silice, può formare cristalli. Questi sono comunemente noti come quarzo e, come il sale, sono costituiti da un numero enorme di due atomi diversi, in questo caso silicio e ossigeno, ma tenuti insieme da legami covalenti. Poiché il rapporto tra ossigeno e atomi di silicio è 2:1, il quarzo ha l’unità di formula SiO2.
Termini correlati
Ci sono un paio di altri termini correlati che potrebbero causare confusione. La formula empirica è un termine più generale per il rapporto più semplice degli elementi in un composto, ionico o covalente, cristallino o no. In un composto cristallino, è lo stesso dell’unità di formula, ma il termine si applica anche a molecole covalenti autonome e non cristalline. La formula molecolare è il numero effettivo di atomi di ciascun elemento in una molecola covalente autonoma e non si applica ai composti ionici, poiché questi non formano molecole distinte.
Nei composti ionici, l’unità di formula tende ad essere utilizzata per mostrare il rapporto più semplice di atomi, mentre nei composti covalenti non cristallini, il termine usuale per questo è la formula empirica. Ad esempio, i composti carbonio-idrogeno acetilene e benzene contengono entrambi lo stesso numero di carbonio degli atomi di idrogeno, e quindi entrambi hanno la formula empirica CH. La formula molecolare dell’acetilene, invece, è C2H2, mentre quella del benzene è C6H6. Questi sono composti molto diversi, con proprietà diverse.
In molti composti covalenti, la formula empirica e la formula molecolare sono le stesse. In acqua, ad esempio, sono entrambi H2O. Questo, tuttavia, è raro nel caso dei composti organici, che possono essere molto complessi. In questi composti, c’è spesso più di una possibilità per lo stesso rapporto di elementi, come già notato con acetilene e benzene. A volte ci sono molte varianti diverse.
In molti casi, anche la formula molecolare non racconta tutta la storia. Ad esempio, glucosio e fruttosio, due diversi tipi di zucchero, hanno la stessa formula molecolare, C6H12O6. Gli atomi di idrogeno e di ossigeno sono, tuttavia, disposti in modo leggermente diverso, conferendo ai due composti proprietà leggermente diverse. La formula empirica per glucosio e fruttosio è CH2O.
Determinazione dell’unità della formula per un composto
In molti casi, tutto ciò che serve per trovare l’unità di formula per un composto ionico, e per alcuni semplici composti covalenti cristallini, è la conoscenza di quanti singoli legami gli elementi sono in grado di formare. Nel caso dei metalli è il numero di elettroni che possono fornire, mentre nei non metalli è il numero di elettroni che possono accettare o, nel caso dei composti covalenti, condividere. Questo è noto come numero di ossidazione. Normalmente è positivo nei metalli – che perdono elettroni caricati negativamente nella formazione di composti – e negativo nei non metalli – che acquisiscono elettroni, almeno quando si combinano con i metalli.
Tornando all’esempio dell’ossido di alluminio, l’alluminio ha numero di ossidazione +3, mentre l’ossigeno ha numero di ossidazione -2. Per trovare l’unità della formula per l’ossido di alluminio, questi numeri vengono semplicemente scambiati per ottenere un composto con tre atomi di ossigeno per ogni due di alluminio: Al2O3. La stessa procedura funziona per molti altri composti ionici e per alcuni semplici composti covalenti. Ci sono, tuttavia, delle complicazioni, perché alcuni elementi possono avere più di un numero di ossidazione, a seconda delle circostanze. Il ferro, ad esempio, può essere +2 o +3 e molti non metalli possono avere più numeri di ossidazione, che possono essere positivi in alcuni composti covalenti.