Carica e formula dello ione alluminio

La carica di uno ione alluminio è tipicamente 3+. Questo perché il numero atomico dell’elemento è 13, riflettendo il fatto che ha 13 elettroni e 13 protoni. Il guscio di valenza dell’alluminio ha tre elettroni, e per la regola dell’ottetto, questi tre elettroni vengono persi con il risultato di soli 10 elettroni e 13 protoni. L’alluminio ha quindi tre protoni in eccesso, quindi la carica di uno ione base di alluminio è 3+.

Questa è la risposta rapida su come la carica dell’alluminio sia 3+. Tuttavia, per comprendere meglio la relazione tra ioni, ionizzazione e i diversi elementi, è necessario uno sguardo più attento agli ioni positivi e negativi.

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Fatti sull’alluminio

“L’alluminio è stato chiamato il nutriente del mondo per la sostenibilità, e per una buona ragione. Considerate che il 75% di tutto l’alluminio prodotto dal 1886 è ancora in uso”. – William J. O’Rourke

L’alluminio è un metallo tenero del gruppo del boro sulla tavola periodica degli elementi. È rappresentato con il simbolo “Al” e ha il numero atomico 13. L’alluminio è un elemento estremamente abbondante, infatti, è l’elemento metallico più abbondante nella crosta terrestre. Insieme al ferro, l’alluminio è il metallo più usato. Nell’anno 2016, la produzione globale di alluminio è stata di circa 59 milioni di tonnellate. L’alluminio è utilizzato per una grande varietà di scopi diversi, tra cui la creazione di veicoli, batterie e materiali da imballaggio, così come la costruzione di edifici e la creazione di utensili da cucina.

La struttura di un atomo

Foto: geralt via , CC0

Gli atomi sono fatti di tre parti fondamentali, separate in due regioni distinte. Neutroni, elettroni e protoni sono le tre parti costitutive di un atomo. I protoni sono particelle subatomiche con carica positiva, mentre i neutroni sono particelle subatomiche senza carica. Neutroni e protoni hanno masse approssimativamente uguali. I neutroni pesano circa 1,67 x 10-24 grammi.

La prima regione dell’atomo è il nucleo, il centro dell’atomo. Il nucleo è composto da neutroni e protoni. All’esterno del nucleo c’è la regione orbitale, composta da elettroni che orbitano attorno al nucleo. Le porzioni più esterne dell’atomo sono chiamate gusci elettronici. Questi gusci contengono gli elettroni in orbita e un atomo può avere più gusci di elettroni.

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Gli atomi hanno proprietà diverse in base a come sono disposte le semplici particelle costituenti. Il numero atomico di un elemento si basa sul numero di protoni che ha un atomo di quell’elemento. Se un atomo di un elemento è neutro, significa che ha lo stesso numero di elettroni e protoni. Il numero di neutroni che un elemento ha definisce gli isotopi di quell’elemento. Gli isotopi sono semplicemente varianti diverse degli atomi dell’elemento primario, che differiscono solo per il numero di neutroni posseduti dall’atomo.

“Conquistare la materia è capirla, e capire la materia è necessario per capire l’universo e noi stessi; e che quindi la tavola periodica di Mendeleev, che proprio in quelle settimane stavamo imparando a disfare, era poesia.” – Primo Levi

Il numero di massa di un elemento è determinato dal numero di protoni e neutroni in un atomo dell’elemento. Gli isotopi di un elemento hanno numeri di massa leggermente diversi perché differiscono nel loro numero di neutroni. La massa atomica di un elemento viene individuata prendendo la media dei numeri di massa dei diversi isotopi di un elemento. Mentre gli isotopi sono forme di elementi che differiscono a causa del diverso numero di neutroni nei nuclei, gli ioni sono atomi che hanno una carica elettrica netta perché l’atomo di base dell’elemento ha guadagnato o perso uno o più elettroni.

Definizione di uno ione

Gli ioni sono molecole o atomi che hanno perso o guadagnato uno o più elettroni dal loro guscio di valenza, che finisce per dare loro una carica elettrica netta negativa o positiva. Per dirla in un altro modo, gli ioni hanno un numero squilibrato di elettroni e protoni in una specie chimica. Il termine ione fu inizialmente coniato dal chimico inglese Michael Faraday per descrivere le sostanze chimiche che viaggiano da un elettrodo all’altro.

Ioni negativi e positivi

Mostra come un atomo di elio contiene un singolo protone ed elettrone, e come può diventare un catione o un anione. Foto: By Jkwchui – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12617370

Gli atomi puri non hanno una carica elettrica, e questo è dovuto al fatto che gli atomi possiedono un numero uguale di elettroni e protoni. Gli elettroni hanno una carica negativa, mentre i protoni sono particelle subatomiche con una carica positiva. Tuttavia, alcune situazioni e interazioni chimiche possono far sì che gli atomi perdano un elettrone o guadagnino un elettrone, il che influisce sulla loro carica netta. In questo caso, gli atomi che subiscono l’influenza della loro carica netta diventano ioni.

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Come esempio, un atomo di alluminio ha un numero atomico di 13, che riflette il fatto che ha 13 protoni. Ogni protone ha una carica positiva, e poiché la maggior parte degli atomi sono neutri, ne consegue che per ogni protone c’è un elettrone, per 13 elettroni e 13 protoni. Questo è vero per tutti gli atomi di alluminio. I metalli sono capaci di formare ioni perdendo elettroni, e questo è vero per l’alluminio che può perdere tre elettroni.

Se il risultato di un cambiamento di carica produce uno ione positivo, lo ione viene chiamato catione. I cationi sono indicati dall’elemento che li compone, quindi in questo caso, c’è un catione alluminio.

Nell’esempio particolare dell’alluminio, l’alluminio aveva una carica iniziale di zero, grazie ai 13 elettroni e ai 13 protoni che si annullano. Quando un atomo di alluminio diventa uno ione, perde tre elettroni. Poiché ci sono solo 10 elettroni, il loro valore viene sottratto dal numero di protoni e la differenza è un tre positivo. Pertanto, uno ione di alluminio ha una carica positiva di tre, indicata come 3+. Alcuni libri di chimica possono mettere il simbolo “+” prima del numero piuttosto che dopo il numero. La versione cationica dell’alluminio può anche essere visualizzata con un segno più e un numero in apice: Al+3 o Al3+.

Per quanto riguarda gli ioni caricati negativamente, questi sono chiamati anioni. Gli anioni sono il risultato di un cambiamento di carica che lascia complessivamente una carica negativa. Come ci si potrebbe aspettare, la rappresentazione di un anione è con un segno negativo invece del segno positivo del catione. Per esempio, Cl- è un anione del cloro creato quando il cloro prende un altro elettrone, il che gli conferisce una carica netta di -1. A differenza dei cationi, che sono semplicemente chiamati cationi dei rispettivi elementi, gli anioni hanno uno schema di denominazione speciale (quindi un anione del cloro non è indicato come uno ione del cloro).

“Wonder è l’elemento più pesante della tavola periodica. Anche una piccola macchia di esso ferma il tempo”. – Diane Ackerman

Se uno ione è composto da un singolo elemento, allora questo viene indicato aggiungendo il suffisso “-ide” al nome dell’elemento, così un anione cloro diventa cloruro, e uno ione di carbonio e azoto o CN- diventa cianuro. Nella maggior parte dei casi, il suffisso “-ide” è sufficiente. Tuttavia, se ci sono ioni composti da più di un elemento (chiamati anioni poliatomici) o anioni che contengono ossigeno, sono necessari più suffissi e prefissi. Il suffisso “-ate” si applica agli ossicianioni che hanno il tipico numero di atomi di ossigeno al loro interno. Nel frattempo, il suffisso “-ite” viene applicato agli ossanioni che hanno un ossigeno in meno rispetto alla norma.

Per gli ossanioni che hanno due ossigeni in meno rispetto alla norma, ma hanno una carica minima, l’elemento base viene aggiunto in mezzo a un prefisso “-hypo” e un suffisso “-ite”. Nel frattempo, per gli ossianioni che hanno un atomo di ossigeno in più rispetto alla norma, ma che hanno ancora una carica normale, si aggiunge il prefisso per e il suffisso “-ate”. Infine, agli anioni che hanno lo zolfo che sostituisce l’ossigeno viene dato il prefisso “thio-“.

Le tendenze di energia di ionizzazione per gli elementi della tavola periodica. Foto: By Sponk (file PNG)Glrx (file SVG)Wylve (zh-Hans, zh-Hant)Palosirkka (fi)Michel Djerzinski (vi)TFerenczy (cz)Obsuser (sr-EC, sr-EL, hr, bs, sh)DePiep (elementi 104-108)Bob Saint Clar (fr)Shizhao (zh-Hans)Wiki LIC (es)Agung karjono (id)Szaszicska (hu) – Lavoro proprio basato su: Erste Ionisierungsenergie PSE color coded.png by Sponk, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24696016

Diversi elementi sono in grado di dare origine a ioni in una serie di modi diversi, qualcosa che non è sorprendente se si considera quante famiglie diverse ci sono sulla tavola periodica degli elementi. Tuttavia, poiché è possibile raggruppare questi molti elementi in famiglie (dato il gruppo o la colonna in cui si trovano sulla tavola periodica), è possibile prevedere il modo in cui questi elementi creeranno ioni. Alcune euristiche possono essere usate per prevedere la creazione di ioni.

In generale, i metalli alcalini, quelli che si trovano nel gruppo uno della tavola periodica, creano ioni 1+ quando si ionizzano. Per esempio, Li+ è lo ione del litio. I metalli alcalini terrosi, quelli che si trovano nel gruppo 2 della tavola periodica, si ionizzano in cationi 2+. Il berillio produce ioni Be 2+. La maggior parte dei metalli che si trovano nel gruppo 3 della tavola periodica, come indio, gallio e alluminio, si ionizzano per formare cationi 3+. Il catione alluminio, come visto sopra, è definito Al 3+. I metalloidi del gruppo 6 e i non metalli come l’ossigeno, il tellurio, il selenio e lo zolfo producono anioni 2 quando si ionizzano. Per esempio, lo stato stabile e ionizzato dell’ossigeno è dato come O2-. Gli elementi che si trovano nel gruppo 7 della tavola periodica, producono anioni di -1 quando si ionizzano. Per questo motivo, l’anione del fluoro sarebbe dato come Fl-.

I metalli puri, cioè i metalli non di transizione, finiranno sempre per formare cationi o ioni positivi. Infatti, uno dei tratti caratteristici dei metalli è che i metalli tendono a liberarsi degli elettroni. Al contrario, i metalli di transizione o i metalloidi possono formare ioni con varie intensità di carica, e classificare i numerosi modi in cui si formano questi cationi è più complesso dei metalli puri.

Mentre i metalli di solito formano cationi, i non metalli di solito guadagnano elettroni e formano anioni. Simile a come i metalli perdono elettroni, una proprietà che definisce i non metalli è che spesso guadagnano elettroni. Le ragioni per cui questi metalli e non metalli guadagnano o perdono elettroni ha a che fare con una serie di fattori complessi. Alcuni dei fattori che influenzano la ionizzazione degli elementi includono il numero di elettroni di valenza che ogni atomo ha e la regola dell’ottetto del legame chimico.