CHEM 1305 Introducción a la Química

Ejemplo 2: Formación de Iones

El magnesio y el nitrógeno reaccionan para formar un compuesto iónico. Prediga qué forma un anión, qué forma un catión y las cargas de cada ion. Escribe el símbolo de cada ion y nómbralos.

Los iones que hemos discutido hasta ahora se llaman iones monatómicos, es decir, son iones formados por un solo átomo. También encontramos muchos iones poliatómicos. Estos iones, que actúan como unidades discretas, son moléculas cargadas eléctricamente (un grupo de átomos enlazados con una carga global). Algunos de los iones poliatómicos más importantes se enumeran en la Tabla 1. Los oxianiones son iones poliatómicos que contienen uno o más átomos de oxígeno. En este punto de tu estudio de la química, deberías memorizar los nombres, fórmulas y cargas de los iones poliatómicos más comunes. Dado que los utilizará repetidamente, pronto le resultarán familiares.

Note que existe un sistema para nombrar algunos iones poliatómicos; -ate y -ite son sufijos que designan iones poliatómicos que contienen más o menos átomos de oxígeno. Per- (abreviatura de «hiper») e hypo- (que significa «bajo») son prefijos que significan más átomos de oxígeno que -ate y menos átomos de oxígeno que -ite, respectivamente. Por ejemplo, el perclorato es {\text{ClO}_{4}^{-}, el clorato es {\text{ClO}_{3}^{-}, el clorito es {\text{ClO}_{2}^{-} y el hipoclorito es ClO-. Desgraciadamente, el número de átomos de oxígeno que corresponde a un sufijo o prefijo determinado no es consistente; por ejemplo, el nitrato es {{text{NO}_{3}^{-} mientras que el sulfato es {{text{SO}_{4}^{2-}. Esto se tratará con más detalle en el siguiente módulo sobre nomenclatura.

La naturaleza de las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos o iones dentro de un compuesto es la base para clasificar el enlace químico. Cuando se transfieren electrones y se forman iones, se producen enlaces iónicos. Los enlaces iónicos son fuerzas electrostáticas de atracción, es decir, las fuerzas de atracción experimentadas entre objetos de carga eléctrica opuesta (en este caso, cationes y aniones). Cuando los electrones se «comparten» y se forman moléculas, se producen enlaces covalentes. Los enlaces covalentes son las fuerzas de atracción entre los núcleos cargados positivamente de los átomos enlazados y uno o más pares de electrones que se encuentran entre los átomos. Los compuestos se clasifican como iónicos o moleculares (covalentes) en función de los enlaces presentes en ellos.

Compuestos iónicos

Cuando un elemento compuesto por átomos que pierden fácilmente electrones (un metal) reacciona con un elemento compuesto por átomos que ganan fácilmente electrones (un no metal), suele producirse una transferencia de electrones, produciendo iones. El compuesto formado por esta transferencia se estabiliza gracias a las atracciones electrostáticas (enlaces iónicos) entre los iones de carga opuesta presentes en el compuesto. Por ejemplo, cuando cada átomo de sodio en una muestra de sodio metálico (grupo 1) cede un electrón para formar un catión de sodio, Na+, y cada átomo de cloro en una muestra de cloro gaseoso (grupo 17) acepta un electrón para formar un anión de cloruro, Cl-, el compuesto resultante, NaCl, está formado por iones de sodio e iones de cloruro en la proporción de un ion Na+ por cada ion Cl-. Del mismo modo, cada átomo de calcio (grupo 2) puede ceder dos electrones y transferir uno a cada uno de los dos átomos de cloro para formar CaCl2, que está compuesto por iones Ca2+ y Cl- en la proporción de un ion Ca2+ por cada dos iones Cl-.

Un compuesto que contiene iones y se mantiene unido por enlaces iónicos se llama compuesto iónico. La tabla periódica puede ayudarnos a reconocer muchos de los compuestos que son iónicos: Cuando un metal se combina con uno o más no metales, el compuesto suele ser iónico. Esta pauta funciona bien para predecir la formación de compuestos iónicos para la mayoría de los compuestos que suelen encontrarse en un curso de introducción a la química. Sin embargo, no siempre es cierto (por ejemplo, el cloruro de aluminio, AlCl3, no es iónico).

A menudo se pueden reconocer los compuestos iónicos por sus propiedades. Los compuestos iónicos son sólidos que normalmente se funden a altas temperaturas y hierven a temperaturas aún más altas. Por ejemplo, el cloruro de sodio se funde a 801 °C y hierve a 1413 °C. (Como comparación, el compuesto molecular agua se funde a 0 °C y hierve a 100 °C). En estado sólido, un compuesto iónico no es conductor de la electricidad porque sus iones no pueden fluir («electricidad» es el flujo de partículas cargadas). Sin embargo, cuando está fundido, puede conducir la electricidad porque sus iones pueden moverse libremente por el líquido (Figura 3).

Figura 3. El cloruro de sodio se funde a 801 °C y conduce la electricidad cuando está fundido. (crédito: modificación del trabajo de Mark Blaser y Matt Evans)

En todo compuesto iónico, el número total de cargas positivas de los cationes es igual al número total de cargas negativas de los aniones. Por tanto, los compuestos iónicos son eléctricamente neutros en su conjunto, aunque contengan iones positivos y negativos. Podemos utilizar esta observación para ayudarnos a escribir la fórmula de un compuesto iónico. La fórmula de un compuesto iónico debe tener una proporción de iones tal que los números de cargas positivas y negativas sean iguales.

Ejemplo 3: Predicción de la fórmula de un compuesto iónico

El zafiro de la piedra preciosa (Figura 4) es principalmente un compuesto de aluminio y oxígeno que contiene cationes de aluminio, Al3+, y aniones de oxígeno, O2-. ¿Cuál es la fórmula de este compuesto?

Figura 4. Aunque el óxido de aluminio puro es incoloro, trazas de hierro y titanio dan al zafiro azul su color característico. (crédito: modificación del trabajo de Stanislav Doronenko)

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Como el compuesto iónico debe ser eléctricamente neutro, debe tener el mismo número de cargas positivas y negativas. Dos iones de aluminio, cada uno con una carga de 3+, nos darían seis cargas positivas, y tres iones de óxido, cada uno con una carga de 2-, nos darían seis cargas negativas. La fórmula sería Al2O3.

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Predice la fórmula del compuesto iónico formado entre el catión sodio, Na+, y el anión sulfuro, S2-.

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Na2S

Muchos compuestos iónicos contienen iones poliatómicos (Tabla 1) como catión, anión o ambos. Al igual que los compuestos iónicos simples, estos compuestos también deben ser eléctricamente neutros, por lo que sus fórmulas pueden predecirse tratando los iones poliatómicos como unidades discretas. Utilizamos paréntesis en una fórmula para indicar un grupo de átomos que se comportan como una unidad. Por ejemplo, la fórmula del fosfato de calcio, uno de los minerales de nuestros huesos, es Ca3(PO4)2. Esta fórmula indica que hay tres iones de calcio (Ca2+) por cada dos grupos de fosfato \text{PO}_{4}^{3-}\right). Los grupos {\text{PO}_{4}^{3-} son unidades discretas, cada una de ellas formada por un átomo de fósforo y cuatro átomos de oxígeno, y con una carga global de 3. El compuesto es eléctricamente neutro, y su fórmula muestra un recuento total de tres átomos de Ca, dos de P y ocho de O.

Debido a que un compuesto iónico no está formado por moléculas individuales y discretas, no puede simbolizarse correctamente utilizando una fórmula molecular. En su lugar, los compuestos iónicos deben simbolizarse mediante una fórmula que indique el número relativo de sus cationes constituyentes. Para los compuestos que sólo contienen iones monatómicos (como el NaCl) y para muchos compuestos que contienen iones poliatómicos (como el CaSO4), estas fórmulas son simplemente las fórmulas empíricas introducidas anteriormente en este capítulo. Sin embargo, las fórmulas de algunos compuestos iónicos que contienen iones poliatómicos no son fórmulas empíricas. Por ejemplo, el compuesto iónico oxalato de sodio está formado por iones Na+ y {text{C}_{2}{text{O}_{4}^{2}} combinados en una proporción 2:1, y su fórmula se escribe como Na2C2O4. Los subíndices de esta fórmula no son los números enteros más pequeños posibles, ya que cada uno se puede dividir por 2 para obtener la fórmula empírica, NaCO2. Sin embargo, esta no es la fórmula aceptada para el oxalato de sodio, ya que no representa con exactitud el anión poliatómico del compuesto, {{text{C}}_{2}{text{O}_{4}^{2-}.

Compuestos moleculares

Muchos compuestos no contienen iones, sino que están formados únicamente por moléculas discretas y neutras. Estos compuestos moleculares (compuestos covalentes) resultan cuando los átomos comparten, en lugar de transferir (ganar o perder), electrones. El enlace covalente es un concepto importante y extenso en química, y se tratará con bastante detalle en un capítulo posterior de este texto. A menudo podemos identificar los compuestos moleculares en base a sus propiedades físicas. En condiciones normales, los compuestos moleculares suelen existir como gases, líquidos de bajo punto de ebullición y sólidos de bajo punto de fusión, aunque existen muchas excepciones importantes.

Mientras que los compuestos iónicos suelen formarse cuando se combinan un metal y un no metal, los compuestos covalentes suelen formarse por una combinación de no metales. Así, la tabla periódica puede ayudarnos a reconocer muchos de los compuestos que son covalentes. Aunque en este punto de nuestro estudio de la química podemos utilizar las posiciones de los elementos de un compuesto en la tabla periódica para predecir si es iónico o covalente, debes ser consciente de que se trata de un enfoque muy simplista que no tiene en cuenta una serie de excepciones interesantes. Existen matices de gris entre los compuestos iónicos y los moleculares, y aprenderás más sobre ellos más adelante.