Formulación y nomenclatura: valencia y número de oxidación

Experimentalmente se comprueba que en cada compuesto los elementos se combinan en una determinada proporción. Por ejemplo, en el cloruro de hidrógeno encontramos que la proporción de átomos de cloro es la misma que la de átomos de hidrógeno, es decir, hay un empate 1:1, lo que significa que un átomo de cloro se une con un átomo de hidrógeno para formar una molécula de HCl. Sin embargo, en el hidruro de calcio (CaH2), por cada átomo de calcio hay dos de hidrógeno, así que en este caso la proporción es 1:2. En la molécula de agua (H2O) hay dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno, por lo que la proporción es 2:1. Mientras que en la cal (CaO) la proporción es 1:1, con un átomo de oxígeno por cada átomo de calcio.  Es fácil darse cuenta que cada elemento tiene una capacidad de combinarse con otros elementos distinta, y a esta capacidad la denominamos valencia química.

Tradicionalmente, la valencia de un elemento se define como el número de hidrógenos que pueden combinarse con él.

En los ejemplos anteriores, vemos que el cloro se une a un hidrógeno mientras que el calcio y el oxígeno se unen a dos hidrógenos. En consecuencia, la valencia del cloro es 1 y tanto la del calcio como la del oxígeno es 2. De manera similar, podríamos decir que la valencia del nitrógeno es 3 en el amoniaco (NH3), y la del carbono es 4 en el metano (CH4). Esta capacidad de unión es característica de cada elemento químico y condiciona la manera en la que se unen con otros elementos distintos de hidrógeno.

Vamos a imaginar por un momento que los átomos son como piezas de lego, con tamaños y formas diferentes para cada elemento químico. La valencia indicaría el número de salientes o cavidades que posee cada átomo, de manera que al formar una molécula, los salientes de uno deben encajar en las cavidades de otro. Un átomo de cloro se une a un átomo de hidrógeno, ya que entre ellos sólo hay un punto de unión. Pero el oxígeno y el calcio tienen valencia dos, es decir, poseen dos puntos de unión, y en cada uno se encaja un hidrógeno, por lo que en los compuestos correspondientes hay el doble de átomos de hidrógeno que de oxígeno o de calcio. ¿Y qué ocurre cuando el calcio se une al oxígeno? Pues que como ambos tienen dos puntos de unión, solo hace falta uno de cada para formar una molécula de CaO. ¿Y si es el nitrógeno el que se une al oxígeno? Como el nitrógeno tiene valencia 3 y el oxígeno valencia 2, nos encontraríamos en una situación en la que las piezas no encajan a la perfección, y la opción preferida por las moléculas es la de encontrar la combinación de átomos más sencilla posible que equilibre la situación, es decir, aquella en la que el número de salientes coincida con el de cavidades, para garantizar que la estructura que se forma sea resistente y estable. Por eso, en la combinación de nitrógeno y oxígeno, se emplean dos nitrógenos (con valencia tres cada uno) y tres oxígenos (con valencia dos cada uno), obteniéndose la molécula N2O3.

En realidad, en los átomos no existen salientes y cavidades, sino que la combinación de átomos se explica por la captación o la aceptación de electrones en su capa más externa, llamada capa de valencia. Como la forma más estable de un átomo es aquella en la que todas sus capas están completas, pueden darse dos posibilidades:

  • Que el átomo tenga muchos electrones en su última capa, por lo que la opción más sencilla es aceptar los electrones necesarios hasta que esta capa quede completa. Esto es típico de los elementos no metálicos, que tienden a aceptar electrones y, por tanto, a formar aniones (cargados negativamente).
  • Que el átomo tenga pocos electrones en su última capa, por lo que sería complicado encontrar otros átomos tan generosos como para cederles todos los electrones que necesitan para completar su capa de valencia, y la opción más fácil es desprenderse de los electrones que tienen en ella (de esta manera, perderían los electrones de su última capa y la inmediatamente inferior sería la que queda completamente llena). Esta situación es propia de los elementos metálicos que, al perder electrones, forman con facilidad cationes (cargados positivamente).

Así, nos encontramos que en realidad la valencia de los átomos está relacionada con la capacidad para aceptar o ceder electrones, y como en este proceso se ganan o pierden cargas, se puede hablar de una valencia negativa y de una valencia positiva, respectivamente. Esto es lo que se conoce como número de oxidación:

El número de oxidación es el número de electrones (indicado en números romanos) que un elemento cede o acepta cuando se combina con otro: si los cede, su número de oxidación tiene signo + (pues adquiere carga positiva) y si los acepta, su número de oxidación tiene signo – (pues adquiere carga negativa).

Lo que ocurre es que no siempre los átomos consiguen todos los electrones que necesitan, o no siempre encuentran otros átomos que acepten todos los que no quieren. Digamos que, a veces, negocian entre ellos situaciones intermedias, conformándose con un número de electrones comprendido entre los que tienen y los que desearían tener. Esto significa que los átomos de un cierto elemento no tienen siempre el mismo número de oxidación. En realidad pueden mostrar varios números de oxidación, con preferencia de unos sobre otros. A veces, incluso, cuando ambos compiten por llevarse un electrón (los dos átomos tienen tendencia a coger electrones) hay alguno que es más insistente y acaba ganándolo, a costa del otro que lo pierde. Por eso nos encontramos también con elementos (los no metálicos) que no solo pueden tener estados de oxidación de diferente valor numérico, sino que también los tienen de signo contrario, en función del elemento químico con el que se asocien.

La tendencia a ceder o captar electrones está íntimamente ligada con una magnitud denominada electronegatividad. Los elementos muy electronegativos tienen gran tendencia a captar electrones y formar aniones (en general, los elementos no metálicos); mientras que los menos electronegativos tienen mayor tendencia a cederlos y formar cationes (en general, los metales). Una regla sencilla para conocer el orden de electronegatividades de los elementos es: cuanto más arriba y más a la derecha de la tabla periódica se encuentre un elemento, más electronegativo es; y, a la inversa, cuanto más abajo y más a la izquierda se sitúa, menos electronegativo. Este orden es muy importante, ya que, por regla general, los elementos en una fórmula están ordenados por orden de electrogatividades:

orden-electronegatividad.jpg

Secuencia de los elementos

Teniendo esto en cuenta, es fácil deducir que:

  • Cuando se combinan un metal y un no metal, el metal siempre cede electrones (número de oxidación positivo) y el no metal los acepta (número de oxidación negativo).
  • Cuando se combina un metal con hidrógeno, el metal es el que cede el electrón al hidrógeno (que tendrá un número de oxidación negativo).
  • Cuando se combina un no metal con hidrógeno, pueden darse dos situaciones: si se trata del boro, el carbono, el silicio o alguno de los elementos de la columna del nitrógeno, son estos los que ceden el electrón al hidrógeno (que tendría número de oxidación negativo); pero si se trata de elementos de la columna del oxígeno o del flúor, es el hidrógeno el que tiene que ceder su electrón (por lo que en este caso su número de oxidación es positivo).
  • Cuando se unen no metales entre sí, puede pasar de todo: en este caso el comportamiento de uno depende del que tenga el otro (por eso los no metales tienen números de oxidación positivos y negativos).
  • Cuando se une un elemento con flúor, es el flúor el que gana, pues es el elemento más electronegativo de todos, así que siempre es él el que se lleva el electrón (por eso su número de oxidación solo puede ser negativo).
  • ¿Y los gases nobles? Pues como tienen completa su última capa, se puede decir que su tendencia a ceder o captar electrones es nula, por lo que su número de oxidación es 0. De ahí su nombre de gases nobles, por su aversión a juntarse con el resto de humildes y plebeyos elementos (aunque en la actualidad se han descubierto y sintetizado algunos compuestos en los que intervienen).

En resumen, para comprender la manera en que se combinan debemos tener unos conocimientos básicos de la tabla periódica, de las valencias o números de oxidación de los elementos y de la estructura atómica que poseen. Y aquí es donde los alumnos preguntan: ¿pero hay que saberse la tabla periódica? ¿y los números de oxidación? Y esta es la respuesta que los alumnos no esperan oír: SÍ. El único consuelo es que todos, lo que se dice todos, no.

Para utilizar correctamente el lenguaje hay que saberse primero el alfabeto y ciertas reglas ortográficas y gramaticales. Para ser bueno en matemáticas hay que aprenderse los números y dominar las operaciones básicas. Pues para sumergirse en el mundo de la química, hay que conocer su lenguaje, la nomenclatura y la formulación, y esto no es posible si no conocemos sus elementos básicos.

Pero os voy a confesar un secreto: no creo que ningún químico (yo lo soy) se sepa completamente TODA la tabla periódica. No por no haberla estudiado, que sí, sino porque muchos elementos son tan poco habituales, que rara vez nos encontramos con sus compuestos. Sin embargo, hay una cantidad importante de elementos que son muy abundantes y comunes, tanto en química como en el día a día, y estos sí debemos memorizarlos, conocer su símbolo y número de oxidación, y saber situarlos en la tabla periódica. Sin ello, sería imposible aprender a nombrar y formular los compuestos.

Como ayuda, os podéis descargar la siguiente tabla con los elementos metálicos y no metálicos más importantes, en la que se indican sus números de oxidación habituales. No están todos los que son, pero sí son todos los que hay que saber…

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