2.7 Nafnakerfi efnafræðinnar

Nafnakerfi (e. nomenclature), safn reglna um nafngiftir, er mikilvægt í vísindum og í mörgum öðrum aðstæðum. Þessi eining lýsir aðferð sem notuð er til að nefna einföld jónaefni og sameindaefnasambönd, svo sem NaCl, CaCO₃ og N₂O₄. Einföldust þeirra eru tvífrumefna efnasambönd (e. binary compounds), þau sem innihalda aðeins tvö frumefni, en við munum einnig skoða hvernig á að nefna jónaefni sem innihalda fjölfrumeinda jónir og einn sérstakan, mjög mikilvægan flokk efnasambanda sem kallast sýrur (e. acids) (í síðari köflum þessarar bókar verður fjallað um þessi efnasambönd í smáatriðum). Við munum takmarka athygli okkar hér við ólífræn efnasambönd, efnasambönd sem eru aðallega samsett úr öðrum frumefnum en kolefni, og munum fylgja nafnakerfisreglum sem IUPAC hefur lagt til. Reglurnar fyrir lífræn efnasambönd, þar sem kolefni er aðalfrumefnið, verða teknar fyrir í síðari kafla um lífræna efnafræði.

Jónaefni

Til að nefna ólífrænt efnasamband þurfum við að íhuga svör við nokkrum spurningum. Í fyrsta lagi, er efnasambandið jónaefni eða sameindaefni? Ef efnasambandið er jónaefni, myndar málmurinn jónir af aðeins einni gerð (föst hleðsla) eða fleiri en einni gerð (breytileg hleðsla)? Eru jónirnar einfrumeinda eða fjölfrumeinda? Ef efnasambandið er sameindaefni, inniheldur það vetni? Ef svo er, inniheldur það einnig súrefni? Út frá svörunum sem við fáum, setjum við efnasambandið í viðeigandi flokk og nefnum það síðan í samræmi við það.

Efnasambönd sem innihalda aðeins einfrumeinda jónir

Heiti tvífrumefna efnasambands sem inniheldur einfrumeinda jónir samanstendur af heiti katjónarinnar (heiti málmsins) á eftir heiti anjónarinnar (heiti málmleysingjans þar sem endingunni er skipt út fyrir viðskeytið –íð). Nokkur dæmi eru gefin í Tafla 2.8.

Tafla 2.8
Heiti nokkurra jónaefna
NaCl, natríumklóríð	Na₂O, natríumoxíð
KBr, kalíumbrómíð	CdS, kadmíumsúlfíð
CaI₂, kalsíumjoðíð	Mg₃N₂, magnesíumnítríð
CsF, sesíumflúoríð	Ca₃P₂, kalsíumfosfíð
LiCl, litíumklóríð	Al₄C₃, álkarbíð

Efnasambönd sem innihalda fjölfrumeinda jónir

Efnasambönd sem innihalda fjölfrumeinda jónir eru nefnd á svipaðan hátt og þau sem innihalda aðeins einfrumeinda jónir, þ.e. með því að nefna fyrst katjónina og síðan anjónina. Dæmi eru sýnd í Tafla 2.9.

Tafla 2.9
Heiti nokkurra fjölfrumeinda jónaefna
KC₂H₃O₂, kalíumasetat	NH₄Cl, ammóníumklóríð
NaHCO₃, natríumbíkarbónat	CaSO₄, kalsíumsúlfat
Al₂(CO₃)₃, álkarbónat	Mg₃(PO₄)₂, magnesíumfosfat

Tafla 2.10
Algeng jónaefni
Jónaefni	Notkun
NaCl, natríumklóríð	venjulegt matarsalt
KI, kalíumjoðíð	bætt í „joðbætt“ salt fyrir heilbrigði skjaldkirtils
NaF, natríumflúoríð	innihaldsefni í tannkremi
NaHCO₃, natríumbíkarbónat	matarsódi; notað í matargerð (og sem sýrubindandi lyf)
Na₂CO₃, natríumkarbónat	þvottasódi; notað í hreinsiefni
NaOCl, natríumhýpóklórít	virka efnið í heimilisklór
CaCO₃ kalsíumkarbónat	innihaldsefni í sýrubindandi lyfjum
Mg(OH)₂, magnesíumhýdroxíð	innihaldsefni í sýrubindandi lyfjum
Al(OH)₃, álhýdroxíð	innihaldsefni í sýrubindandi lyfjum
NaOH, natríumhýdroxíð	lútur; notað sem stíflueyðir
K₃PO₄, kalíumfosfat	íbótarefni í matvæli (margvísleg notkun)
MgSO₄, magnesíumsúlfat	bætt út í hreinsað vatn
Na₂HPO₄, natríumvetnisfosfat	kekkjavarnarefni; notað í duftvörur
Na₂SO₃, natríumsúlfít	rotvarnarefni

Efnasambönd sem innihalda málmjón með breytilega hleðslu

Flestir hliðarmálmar og sumir málmar í aðalhópum geta myndað tvær eða fleiri katjónir með mismunandi hleðslur. Efnasambönd þessara málma með málmleysingjum eru nefnd með sömu aðferð og efnasambönd í fyrsta flokknum, nema hvað hleðsla málmjónarinnar er tilgreind með rómverskri tölu í sviga á eftir nafni málmsins. Hleðsla málmjónarinnar er ákvörðuð út frá formúlu efnasambandsins og hleðslu anjónarinnar. Tökum sem dæmi tvíundar jónaefni úr járni og klór. Járn hefur yfirleitt hleðsluna 2+ eða 3+ (sjá Mynd 2.29) og formúlur samsvarandi efnasambanda eru FeCl₂ og FeCl₃. Einfaldasta nafnið, „járnklóríð“, væri í þessu tilfelli tvírætt þar sem það gerir ekki greinarmun á þessum tveimur efnasamböndum. Í slíkum tilfellum er hleðsla málmjónarinnar sett sem rómversk tölustafur í sviga strax á eftir nafni málmsins. Þessi tvö efnasambönd eru þá ótvírætt nefnd járn(II)klóríð og járn(III)klóríð. Önnur dæmi eru í Tafla 2.11.

Tafla 2.11
Nokkur jónaefni með málmjónum með breytilega hleðslu
Efnasamband	Nafn
FeCl₂	járn(II)klóríð
FeCl₃	járn(III)klóríð
Hg₂O	kvikasilfur(I)oxíð
HgO	kvikasilfur(II)oxíð
SnF₂	tin(II)flúoríð
SnF₄	tin(IV)flúoríð

Í eldri nafnakerfum voru endingarnar –ic og –ous notaðar til að tákna málma með hærri og lægri hleðslur: Járn(III)klóríð, FeCl₃, var áður kallað ferric chloride og járn(II)klóríð, FeCl₂, var þekkt sem ferrous chloride. Þótt vísindasamfélagið hafi að mestu hætt að nota þessa nafnahefð er hún enn í notkun í sumum greinum iðnaðarins. Til dæmis gætir þú séð orðin stannous fluoride á tannkremstúpu. Það táknar formúluna SnF₂, sem er réttara að nefna tin(II)flúoríð. Hitt flúoríð tins er SnF₄, sem áður var kallað stannic fluoride en heitir nú tin(IV)flúoríð.

Jónahýdröt

Jónaefni sem innihalda vatnssameindir sem óaðskiljanlegan hluta af kristöllum sínum eru kölluð hýdröt (e. hydrates). Nafn á jónahýdrati er búið til með því að bæta við nafnið á vatnsfría (þýðir „ekki hýdratað“) efnasambandinu orði sem gefur til kynna fjölda vatnssameinda sem tengjast hverri formúlueiningu efnasambandsins. Viðbætta orðið byrjar á grískri forskeyti sem táknar fjölda vatnssameinda (sjá Tafla 2.12) og endar á „hýdrat“. Til dæmis er vatnsfría efnasambandið kopar(II)súlfat einnig til sem hýdrat sem inniheldur fimm vatnssameindir og nefnist kopar(II)súlfat pentahýdrat. Kristalsódi er almennt heiti á hýdrati af natríumkarbónati sem inniheldur 10 vatnssameindir; kerfisbundið nafn þess er natríumkarbónat dekahýdrat.

Formúlur fyrir jónahýdröt eru skrifaðar með því að bæta við miðjusettum punkti, stuðli sem táknar fjölda vatnssameinda og formúlu vatns. Dæmin tvö sem nefnd voru í fyrri málsgrein eru táknuð með formúlunum

kopar(II)súlfat pentahýdrat {CuSO}_{4} ∙5 H_{2} O

natríumkarbónat dekahýdrat {Na}_{2} {CO}_{3} ∙10 H_{2} O

Tafla 2.12
Forskeyti í nafnakerfum
Fjöldi	Forskeyti	Fjöldi	Forskeyti
1 (stundum sleppt)	mónó-	6	hexa-
2	dí-	7	hepta-
3	trí-	8	okta-
4	tetra-	9	nona-
5	penta-	10	deka-

Dæmi 2.13

Nafngiftir jónaefna

Nefndu eftirfarandi jónaefni

(a) Fe₂S₃

(b) CuSe

(d) MgSO₄·7H₂O

(e) Ti₂(SO₄)₃

Lausn

Anjónirnar í þessum efnasamböndum hafa fasta neikvæða hleðslu (S²⁻, Se²⁻, N³⁻ og ${{{\text{SO}}}_{4}^{{2−}}),}$ og efnasamböndin verða að vera hlutlaus. Þar sem heildarfjöldi jákvæðra hleðslna í hverju efnasambandi verður að vera jafn heildarfjölda neikvæðra hleðslna, verða jákvæðu jónirnar að vera Fe³⁺, Cu²⁺, Ga³⁺, Mg²⁺ og Ti³⁺. Þessar hleðslur eru notaðar í nöfnum málmjónanna:

(a) járn(III)súlfíð

(b) kopar(II)seleníð

(d) magnesíumsúlfat heptahýdrat

(e) títan(III)súlfat

Skoðaðu þekkingu þína

Skrifaðu formúlur eftirfarandi jónaefna:

(a) króm(III)fosfíð

(b) kvikasilfur(II)súlfíð

(d) kopar(I)oxíð

(e) járn(III)klóríð díhýdrat

Efnafræði í daglegu lífi

Erin Brockovich og krómmengun

Í upphafi tíunda áratugarins uppgötvaði lögfræðiritarinn Erin Brockovich (Mynd 2.32) háa tíðni alvarlegra veikinda í smábænum Hinckley í Kaliforníu. Rannsókn hennar leiddi að lokum í ljós tengsl milli veikindanna og grunnvatns sem var mengað af Cr(VI) sem Pacific Gas & Electric (PG&E) notaði til að berjast gegn tæringu í nálægri jarðgasleiðslu. Eins og sýnt var á dramatískan hátt í kvikmyndinni Erin Brockovich (sem Julia Roberts vann Óskarsverðlaun fyrir), þá stefndu Erin og lögfræðingurinn Edward Masry PG&E fyrir að menga vatnið nálægt Hinckley árið 1993. Sáttin sem þau náðu árið 1996 – 333 milljónir dala – var hæsta upphæð sem nokkru sinni hafði verið dæmd í beinu skaðabótamáli í Bandaríkjunum á þeim tíma.

Mynd 2.32 (a) Erin Brockovich komst að því að Cr(VI), sem PG&E notaði, hafði mengað vatnsból Hinckley í Kaliforníu. (b) Cr(VI) jónin er oft til staðar í vatni sem fjölfrumeinda jónirnar krómat,

{{{\text{CrO}}}_{4}^{{2−}}}

(vinstri), og díkrómat,

{{{\text{Cr}}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{2−}}}

(hægri).

Krómsambönd eru víða notuð í iðnaði, svo sem við krómhúðun, í litagerð, sem rotvarnarefni og til að koma í veg fyrir tæringu í kæliturnsvatni, eins og gerðist nálægt Hinckley. Í umhverfinu er króm aðallega til á forminu Cr(III) eða Cr(VI). Cr(III), sem er innihaldsefni í mörgum vítamínum og fæðubótarefnum, myndar efnasambönd sem eru ekki mjög auðleyst í vatni og hefur litla eiturvirkni. En Cr(VI) er mun eitraðra og myndar efnasambönd sem eru nokkuð auðleyst í vatni. Snerting við lítið magn af Cr(VI) getur leitt til skemmda á öndunarfærum, meltingarfærum og ónæmiskerfi, auk nýrna, lifrar, blóðs og húðar.

Þrátt fyrir hreinsunaraðgerðir er Cr(VI) mengun í grunnvatni enn vandamál í Hinckley og víðar um heiminn. Rannsókn frá 2010, sem Environmental Working Group gerði, leiddi í ljós að af 35 bandarískum borgum sem prófaðar voru, höfðu 31 hærra magn af Cr(VI) í kranavatni sínu en lýðheilsumarkmiðið 0,02 hlutar á milljarð sem Umhverfisverndarstofnun Kaliforníu setti.

Sameindaefnasambönd (samgild efnasambönd)

Tengiseinkenni ólífrænna sameindaefnasambanda eru frábrugðin jónaefnum og þau eru einnig nefnd með öðru kerfi. Hleðslur katjóna og anjóna ráða hlutföllum þeirra í jónaefnum, þannig að með því að tilgreina nöfn jónanna fást nægar upplýsingar til að ákvarða efnaformúlur. Hins vegar, þar sem samgild tengi leyfa verulegan breytileika í samsetningarhlutföllum frumeinda í sameind, verða nöfn sameindaefnasambanda að tilgreina þessi hlutföll með skýrum hætti.

Efnasambönd úr tveimur frumefnum

Þegar tvö frumefni sem eru málmleysingjar mynda sameindaefnasamband eru oft nokkur samsetningarhlutföll möguleg. Til dæmis geta kolefni og súrefni myndað efnasamböndin CO og CO₂. Þar sem þetta eru mismunandi efni með mismunandi eiginleika geta þau ekki bæði haft sama nafn (þau geta ekki bæði heitið kolefnisoxíð). Til að bregðast við þessu notum við nafngiftaraðferð sem er nokkuð svipuð þeirri sem notuð er fyrir jónaefni, en með viðbættum forskeytum til að tilgreina fjölda frumeinda hvers frumefnis. Nafn málmkenndara frumefnisins (þess sem er lengra til vinstri og/eða neðar í lotukerfinu) kemur fyrst, á eftir kemur nafn þess frumefnis sem er meiri málmleysingi (það sem er lengra til hægri og/eða ofar) með endingunni breytt í viðskeytið –íð. Fjöldi frumeinda hvers frumefnis er táknaður með grísku forskeytunum sem sýnd eru í Tafla 2.12.

Þegar aðeins ein frumeind af fyrra frumefninu er til staðar er forskeytinu mónó- yfirleitt sleppt úr þeim hluta. Þannig heitir CO kolmónoxíð og CO₂ heitir koldíoxíð. Þegar tveir sérhljóðar standa saman er endasérhljóðanum í gríska forskeytinu stundum sleppt í daglegu tali, þótt leiðbeiningar IUPAC leyfi þetta aðeins fyrir tvöfalda stafinn o í mónóoxíð, sem er rétt skrifað sem mónoxíð. Í nafngiftaæfingum þessa texta geta nemendur valið að fylgja hvorri aðferðinni sem er. Nokkur önnur dæmi eru sýnd í Tafla 2.13.

Tafla 2.13
Nöfn nokkurra sameindaefnasambanda sem samanstanda af tveimur frumefnum
Efnasamband	Nafn	Efnasamband	Nafn
SO₂	brennisteinsdíoxíð	BCl₃	bórtríklóríð
SO₃	brennisteinstríoxíð	SF₆	brennisteinshexaflúoríð
NO₂	niturdíoxíð	PF₅	fosfórpentaflúoríð
N₂O₄	díniturtetroxíð	P₄O₁₀	tetrafosfórdekaoxíð
N₂O₅	díniturpentoxíð	IF₇	joðheptaflúoríð

Það eru nokkur algeng nöfn sem þú munt rekast á eftir því sem þú heldur áfram í efnafræðináminu. Til dæmis, þótt NO sé oft kallað nituroxíð, er rétt nafn þess niturmónoxíð. Á sama hátt er N₂O þekkt sem glaðloft (dínituroxíð) þótt reglur okkar myndu kveða á um nafnið díniturmónoxíð. (Og H₂O er venjulega kallað vatn, ekki dívetnismónoxíð.) Þú ættir að leggja algeng nöfn efnasambanda á minnið þegar þú rekst á þau.

Tvíundarsýrur

Sum efnasambönd sem innihalda vetni tilheyra mikilvægum flokki efna sem kallast sýrur. Efnafræði þessara efnasambanda er könnuð nánar í síðari köflum þessarar bókar, en í bili nægir að nefna að margar sýrur losa vetnisjónir, H⁺, þegar þær eru leystar upp í vatni. Til að tákna þennan sérstaka efnafræðilega eiginleika fær efnablanda af vatni og sýru nafn sem er dregið af nafni efnasambandsins. Ef efnasambandið er tvíundarsýra (e. binary acid) (samanstendur af vetni og einum öðrum málmleysingja):

Orðinu „vetni“ er breytt í forskeytið vetnis-
Nafni hins málmleysingjans er breytt með því að bæta við endingunni -sýra
Orðið „sýra“ er bætt við sem annað orð

Til dæmis, þegar gasið HCl (vetnisklóríð) er leyst upp í vatni, er lausnin kölluð vetnisklóríðsýra (einnig saltsýra). Nokkur önnur dæmi um þessa nafnakerfi eru sýnd í Tafla 2.14.

Tafla 2.14
Nöfn nokkurra einfaldra sýra
Nafn gass	Nafn sýru
HF(g), vetnisflúoríð	HF(aq), vetnisflúoríðsýra
HCl(g), vetnisklóríð	HCl(aq), vetnisklóríðsýra (saltsýra)
HBr(g), vetnisbrómíð	HBr(aq), vetnisbrómíðsýra
HI(g), vetnisjoðíð	HI(aq), vetnisjoðíðsýra
H₂S(g), vetnissúlfíð	H₂S(aq), vetnissúlfíðsýra

Oxsýrur

Mörg efnasambönd sem innihalda þrjú eða fleiri frumefni (svo sem lífræn efnasambönd eða girðisambönd) lúta sérhæfðum nafnakerfisreglum sem þú munt læra síðar. Hins vegar munum við í stuttu máli fjalla um mikilvæg efnasambönd sem kallast oxsýrur (e. oxyacids), efnasambönd sem innihalda vetni, súrefni og að minnsta kosti eitt annað frumefni, og eru tengd á þann hátt að þau gefa efnasambandinu súra eiginleika (þú munt læra nánar um þetta í síðari kafla). Dæmigerðar oxsýrur samanstanda af vetni ásamt fjölfrumeinda, súrefnisinnihaldandi jón. Til að nafngreina oxsýrur:

Sleppið „vetni“
Byrjið á stofni nafns anjónarinnar
Skiptið –at út fyrir –sýra, eða –ít út fyrir –kennd sýra
Bætið við „sýra“

Skoðum til dæmis H₂CO₃ (sem þú gætir freistast til að kalla „vetniskarbónat“). Til að nafngreina það rétt er „vetni“ sleppt; endingunni –at í karbónat er skipt út fyrir –sýra; og orðinu sýra er bætt við — þannig að heitið er kolsýra. Önnur dæmi eru gefin í Tafla 2.15. Það eru nokkrar undantekningar frá almennu nafngiftaraðferðinni (t.d. er H₂SO₄ kallað brennisteinssýra, ekki brennissýra, og H₂SO₃ er brennisteinssýrlingur, ekki brennissýrlingur).

Tafla 2.15
Heiti algengra oxósýra
Formúla	Heiti anjónar	Heiti sýru
HC₂H₃O₂	asetat	ediksýra
HNO₃	nítrat	salpéturssýra
HNO₂	nítrít	salpéturssýrlingur
HClO₄	perklórat	perklórsýra
H₂CO₃	karbónat	kolsýra
H₂SO₄	súlfat	brennisteinssýra
H₂SO₃	súlfít	brennisteinssýrlingur
H₃PO₄	fosfat	fosfórsýra

Námsmarkmið