Simbolismo chimico
I chimici hanno sviluppato un sistema unificato di simboli e notazioni al
fine di semplificare e rendere più chiaro possibile il metodo di scrittura dei
nomi, delle reazioni e di tutti i processi chimici.
Utilizzando un metodo di scrittura abbreviata è possibile sviluppare un
sistema in grado di evidenziare le relazioni matematiche fra atomi
e sostanze reagenti, di mostrare il modo in cui gli atomi si uniscono per
formare molecole complesse, di chiarire il tipo di legami
chimici che si instaurano fra gli atomi, e talvolta anche di mostrare la
conformazione tridimensionale di complicate strutture chimiche.
I primi alchimisti, progenitori dei chimici, usarono vari simboli per
rappresentare le sostanze che manipolavano, e questa consuetudine si protrasse
fino al sec. XIX. Il chimico svedese Jöns Jakob
Berzelius fu il primo a servirsi delle lettere dell'alfabeto per
rappresentare gli elementi chimici. Nella maggior parte dei casi egli preferì
usare come simbolo di un certo elemento la prima lettera del suo nome; così la
lettera maiuscola O indicava l'ossigeno, C significava carbonio, e così via.
Spesso conveniva utilizzare due lettere per identificare un elemento in modo da
poterlo distinguere da altri elementi aventi la stessa lettera iniziale;
inoltre, talvolta il simbolo veniva scelto in base al nome latino. Così l'azoto
venne indicato con la lettera N da nitrogenum, generatore del niter
(nitrato) e, per differenziarli da quest'ultimo, il neon venne indicato con Ne
ed il nichel con Ni. Il sodio, dal latino natrium, venne invece indicato
con Na. Altri simboli derivati dal latino sono, ad esempio, quelli dell'oro, Au
(Aurum), del potassio K, (Kalium), ecc. Nel caso che l'elemento
venga indicato con due lettere, come è mostrato negli esempi precedenti, la
prima lettera viene scritta come maiuscola, mentre la seconda è minuscola.
Questo è necessario talvolta per non fare confusione fra elementi e composti:
ad esempio, l'elemento cobalto, il cui simbolo è Co, non deve essere confuso
con il composto monossido di carbonio, costituito da un atomo di ossigeno e uno
di carbonio e indicato con le lettere maiuscole CO.
Come si vede dall'esempio precedente, le molecole, che si ottengono attraverso
la formazione di legami chimici fra due o più atomi, vengono indicate
combinando i simboli degli atomi coinvolti nella formazione della molecola o, in
genere, del composto chimico. Ad esempio, il sodio (Na) e il cloro (Cl), si
combinano per formare il cloruro di sodio (il
comune sale da cucina), che viene indicato per mezzo di una formula scritta come
NaCl. Se alla formazione di un certo composto partecipa più di un atomo di un
dato elemento, questo viene indicato per mezzo di un subscritto numerico: ad
esempio, per formare una molecola di acqua occorrono due atomi di idrogeno e uno
di ossigeno, e quindi la formula che rappresenta la molecola di acqua dovrà
essere scritta con un 2 subscritto al simbolo dell'idrogeno (H).
Certe combinazioni di atomi formano gruppi stabili che vengono considerati come
una unità singola e a sé stante, chiamata radicale,
in grado di formare legami chimici con altri atomi o gruppi di atomi. Se un
composto contiene più di una unità dei sopraddetti radicali, nella formula
questo viene indicato ponendo in parentesi la formula del radicale.
Gli ioni scritti sopra vengono tenuti insieme per mezzo di un particolare tipo
di legame chimico, detto legame ionico, nel quale gli ioni interagiscono
elettrostaticamente. Quando composti diversi, senza perdere le loro
caratteristiche strutturali, vengono a far parte di uno stesso composto, le due
o più formule corrispondenti vengono unite per mezzo di un punto: ad esempio,
il comune minerale gesso è un composto salino idrato, nel quale le molecole di
acqua entrano a far parte della struttura cristallina del solfato
di calcio. Quest'acqua di idratazione può essere eliminata scaldando il
gesso.
Come è stato indicato prima, uno ione è una specie chimica, ovverosia un
atomo, un gruppo di atomi o una particella subatomica, che
porta una carica elettrica positiva o negativa. Tale carica viene
indicata col corrispondente segno in alto a destra nella formula che rappresenta
lo ione. Quando sono presenti cariche multiple questo può essere indicato in
due modi: o anteponendo al simbolo della carica il numero di cariche o indicando
tanti simboli di carica quante sono le cariche stesse: di solito la prima
notazione viene preferita alla seconda.
Poiché la chimica si interessa principalmente delle trasformazioni della
materia attraverso le reazioni chimiche, queste ultime possono essere
considerate come la parte principale della chimica (vedi reazioni
chimiche). Nelle reazioni chimiche le sostanze si trasformano mediante la
rottura e la formazione di legami chimici. Le sostanze che si trasformano, dette
reagenti, vengono scritte a
sinistra sommando le corrispondenti formule, mentre le sostanze che si formano,
i cosiddetti prodotti, seguono,
sommando le corrispondenti formule, una freccia che indica appunto il processo
di trasformazione.
Spesso è utilmente indicata la fase fisica nella quale si trovano i reagenti o
i prodotti. I simboli più usati sono: (s), solido; (l), liquido; (g), gas; (aq),
acquoso, o idrato. In modo equivalente, la formazione di un gas può essere
indicata ponendo accanto alla formula della sostanza gassosa una freccia diretta
verso l'alto, mentre la formazione di un precipitato (solido insolubile) è
indicata con una freccia diretta verso il basso. Questi simboli possono essere
associati solo ad uno dei prodotti e non ai reagenti.
In molte reazioni (a rigore in tutte) i prodotti appena formati tendono a
loro volta a reagire fra di loro per ripristinare i reagenti originali. Quando
una reazione può avvenire sia in un senso che in quello opposto
contemporaneamente, nel sistema chimico sono presenti simultaneamente sia i
reagenti che i prodotti; alla fine, quando la quantità di reagenti che si
trasforma in un certo tempo diventa uguale alla quantità di prodotti che a sua
volta riforma i reagenti, il sistema raggiunge uno stato
di equilibrio. Questo viene indicato per mezzo di una doppia freccia. (v.
chimico, equilibrio e cinetica).
La chimica nucleare si interessa delle trasformazioni che possono subire i
costituenti del nucleo, cioè i protoni e i neutroni, di massa circa uguale, ma
i primi carichi positivamente e i secondi privi di carica. Per essere in grado
di seguire il corso della reazione occorre che sia indicato il numero dei
protoni e dei neutroni. Il numero dei protoni individua un certo elemento
chimico e viene scritto in basso a sinistra del simbolo dell'elemento stesso; la
somma del numero di protoni e neutroni è invece il numero di massa che può
cambiare per uno stesso elemento (cioè può cambiare il numero dei neutroni)
identificando i diversi isotopi dell'elemento. Il numero di massa può essere
scritto in alto a sinistra del simbolo dell'elemento, oppure può seguire il
nome dell'elemento, separato da quest'ultimo da una lineetta.
Spesso il numero dei protoni (detto numero
atomico) non viene indicato. Esso
diventa però necessario per seguire il corso di una reazione nucleare, che deve
essere bilanciata sia relativamente al numero di massa che relativamente al
numero dei protoni e alla carica.
La configurazione, o
arrangiamento, degli atomi all'interno di una molecola è considerato dai
chimici un argomento di fondamentale importanza. Il numero e il tipo dei legami
chimici determina le proprietà di un certo composto e la sua reattività. Una
forma di rappresentazione è il simbolismo di
Lewis, in cui si indicano sotto
forma di punti gli elettroni del guscio energetico più esterno dell'atomo
(elettroni di valenza). Tali punti vengono disposti intorno al simbolo
dell'elemento: Un metodo più esplicito e comodo è quello di rappresentare un
legame covalente (vedi legame chimico), cioè il doppietto di elettroni che forma
il legame, per mezzo di una lineetta, trascurando gli elettroni che normalmente
non prendono parte al legame (spesso anche questi vengono indicati con lineette
che circondano il simbolo dell'elemento, dove ciascuna linea rappresenta una
coppia di elettroni appartenenti all'atomo). Un doppio legame viene quindi
rappresentato con una doppia linea che unisce i due atomi, mentre un triplo
legame sarà rappresentato da tre linee.
Come non è necessario, il più delle volte, far vedere
tutti gli elettroni di valenza, allo stesso modo, di solito, non è necessario
indicare tutti i legami in modo esplicito. Alcuni raggruppamenti di atomi hanno
una sola possibilità di arrangiamento spaziale e quindi sarà necessario
evidenziare solo quei legami che sono utili a chiarire la struttura molecolare.
Ad esempio, i primi chimici rimasero perplessi per il fatto che due differenti
composti, il dimetiletere e l'alcool etilico, avevano la stessa formula
empirica. La differenza fra i due composti sta nel diverso arrangiamento degli
atomi; tuttavia solo alcuni legami devono essere indicati per chiarire la
differenza fra i due composti. In chimica organica alcuni arrangiamenti sono
così comuni che è necessario tracciare solo delle figure simboliche per
identificarli e indicarne la struttura. I più noti sono il cicloesano e il
benzene. L'uso di simboli standardizzati e di una notazione appropriata non solo
rende più semplice la scrittura delle formule, ma facilita anche la
comprensione dei meccanismi che stanno alla base della chimica.
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