Formulación y nomenclatura: los iones complejos

Los iones son átomos, o grupos de átomos, que poseen carga neta. Se pueden considerar iones simples  aquellos formados por un solo átomo (iones monoatómicos, como el Na+ o el Cl) o por varios átomos de un mismo elemento (iones homopoliatómicos, como el Hg22+ o el O3). Por su parte, los iones complejos son aquellos formados por varios átomos pertenecientes a dos o más elementos químicos distintos (iones heteropoliatómicos).

Iones-clasificación

Formulación de iones complejos

Tanto los cationes como los aniones heteropoliatómicos proceden de especies neutras que han perdido o ganado un ion, de forma que quedan cargados positiva o negativamente:

Formacion-iones-cationes-aniones-complejos

Los iones heteropoliatómicos se formulan colocando un superíndice en la parte superior derecha, que indica su carga: A+ o A.

Nomenclatura de cationes heteropoliatómicos

La IUPAC recomienda las nomenclaturas de sustitución o de adición. Cuando se utiliza la nomenclatura de sustitución, el catión procede de un hidruro progenitor:

  • Cuando el hidruro progenitor capta un H+, el catión se nombra sustituyendo la terminación –o  en el nombre del hidruro por el sufijo –io. En el caso de que se incorporen dos o más H+, se indicará mediante los sufijos –diio–triio, etc. (en este caso, sin eliminar la terminación –o del nombre del hidruro).
  • Cuando el catión se produce por pérdida de un anión H, su nombre se obtiene sustituyendo la terminación –o por el sufijo –ilio (en los derivados del silano, germano, estannano y plumbano reemplaza a la desinencia –ano).
  • En cationes sustituidos, se añaden al nombre del catión los prefijos de los sustituyentes (con prefijos multiplicadores, si fuera necesario).

Veamos algunos ejemplos:

Nombre-fórmula-cationes-heteropoliatómicos

Nombre de sustitución de algunos cationes heteropoliatómicos

La IUPAC acepta los nombres oxonio y amonio para los cationes H3O+ y NH4+, respectivamente.

También es posible emplear la nomenclatura de adición en estos cationes, que supone formados por un átomo central al que se le van añadiendo otros alrededor que se conocen como ligandos. Con ella, se nombran primero los ligandos (con sus respectivos prefijos multiplicadores), seguidos del nombre del átomo central y, entre paréntesis y sin espacios, la carga del catión. Por ejemplo:

Nombre-fórmula-cationes-heteropoliatómicos-adicion

Nombres de adición de algunos cationes heteropoliatómicos

Esta nomenclatura ofrece la posibilidad de nombrar cationes complejos que difícilmente pueden interpretarse como derivados de hidruros. Sin embargo, para ello debemos conocer la estructura del compuesto, algo que no siempre es evidente. Por ejemplo, el catión H3SO4+ puede escribirse, atendiendo a su estructura, como [SO(OH)3]+, y su nombre sería trihidroxidooxidoazufre(1+).

Nomenclatura de aniones heteropoliatómicos

Cuando se utiliza la nomenclatura de sustitución, como en el caso de los cationes, el nombre deriva del hidruro progenitor:

  • Si el anión se obtiene por pérdida de uno o más H+, se sustituye la vocal final por los sufijos –uro, –diuro
  • Si el anión se produce por adición de uno o más H, su nombre se obtiene sustituyendo la vocal final por el sufijo –uuro.
  • En cationes sustituidos, se añaden al nombre del anión los prefijos de los sustituyentes (con prefijos multiplicadores, si fuera necesario).

A continuación, unos ejemplos:

Nombre-fórmula-aniones-heteropoliatómicos.png

Nombres de sustitución de algunos aniones heteropoliatómicos

La IUPAC propone desde hace poco el nombre “oxidanide” (en inglés) para el anión OH (traducido como oxidanuro, o también, oxiduro), aunque acepta el nombre hidróxido, que es el que realmente se utiliza.

Al igual que en los cationes, también es posible emplear en los aniones la nomenclatura de adición, aunque en ellos se añade la desinencia –ato al nombre del átomo central. por ejemplo:

Nombre-fórmula-aniones-heteropoliatómicos-adicion.png

Nombres de adición de algunos aniones heteropoliatómicos.

Nomenclatura de oxoaniones

Un caso particular lo constituyen los oxoaniones, que se obtienen cuando un oxoácido pierde algún H+. En ellos se puede emplear la nomenclatura de adición, aunque es común la nomenclatura tradicional:

El nombre de los oxoaniones deriva del de los oxoácidos, por sustitución de las terminaciones –oso e –ico por los sufijos –ito y –ato, respectivamente. 

Nombre-fórmula-oxoácido-oxoanión

Nombres tradicionales y de adición de algunos oxoaniones. 

Si el anión conservase alguno de los hidrógenos ácidos se indicará al comienzo del nombre. Por ejemplo:

  • El anión HSO4, derivado del ácido sulfúrico, por pérdida de un H+, se nombra, en la nomenclatura tradicional, como hidrogenosulfato. En la nomenclatura de adición, debemos tener en cuenta que uno de los oxígenos conserva su hidrógeno, por lo que su fórmula podría representarse [SO3(OH)], y se nombraría hidroxidotrioxidosulfato(1–).

hidrogenosulfato

  • El anión HCO3, derivado del ácido carbónico, por pérdida de un H+, se nombraría como hidrogenocarbonato. En la nomenclatura de adición, teniendo en cuenta que su fórmula podría representarse [CO2(OH)], se nombraría hidroxidodioxidocarbonato(1–).

Hidrogenocarbonato

  • El anión H2PO4, derivado del ácido fosfórico, conserva dos hidrógenos, por lo que su nombre sería dihidrogenofosfato. En la nomenclatura de adición, representándolo como [PO2(OH)2], se nombraría dihidroxidodioxidocarbonato(1–).

dihidrogeno-fosfato.png

Formulación y nomenclatura: los oxoácidos

Si los hidróxidos se caracterizan por presentar un carácter más o menos básico, los oxoácidos, como su propio nombre indica, destacan por tener un comportamiento ácido. Hasta en su nombre redunda la acidez, pues deriva de la palabra griega oxýs, que significa ácido. Aunque, en realidad, se añade este sufijo para remarcar la presencia de oxígeno en el compuesto, un elemento que no aparece en los otros ácidos inorgánicos ya estudiados, los hidrácidos.

Según las teorías de Arrhenius y de Brönsted-Lowry, un ácido es una sustancia capaz de ceder protones al medio.

Ácidos-inorgánicos-clasificacion.png

  • Hidrácidos: combinaciones binarias de hidrógeno y un no metal de los grupos 16 (calcógenos: S, Se, Te) o 17 (halógenos: F, Cl, Br, I).
  • Oxoácidos: compuestos ternarios de hidrógeno, oxígeno y un elemento electronegativo, generalmente no metálico.

Actualmente la IUPAC considera los hidrácidos meros hidruros, y utiliza la denominación ácidos inorgánicos de manera exclusiva para los oxoácidos, aunque en la bibliografía lo podemos encontrar indistintamente con una u otra clasificación.

Formulación de los oxoácidos

La fórmula general de los oxoácidos es HaNbOc, siendo N un elemento electronegativo (no metálico, en la mayoría de los casos).

En estos compuestos:

  • El hidrógeno actúa con número de oxidación I.
  • El oxígeno actúa con número de oxidación –II.
  • El elemento electronegativo, generalmente no metálico, actúa con un número de oxidación positivo, n, que puede deducirse a partir de los subíndices a, b y c, si tenemos en cuenta que la suma de los números de oxidación positivos debe compensar la de los números negativos:

cc3a1lculo-nc3bamero-oxidacion-oxoc3a1cido

¿Y de qué manera se asignan los subíndices que acompañan a cada elemento? En general, podemos considerar que todo oxoácido procede de un óxido al que se le añade una molécula de agua. ¿Os acordáis que los óxidos no metálicos se denominaban tradicionalmente anhídridos? La palabra anhídrido proviene del griego ánydros ‘que no tiene agua’, por lo que añadiendo dos hidrógenos y un oxígeno a un óxido obtendremos su correspondiente oxoácido. Eso sí, tiene que ser un óxido de un no metal (aunque también puede darse con algún metal de transición en un estado de oxidación alto). Veamos unos ejemplos:

  • Con el monóxido de carbono o anhídrido carbonoso: CO + H2O = H2CO2. Puede comprobarse que, tanto en el óxido como en el oxoácido, el número de oxidación del carbono es II (para contrarrestar las cuatro cargas negativas que aportan los oxígenos hacen falta, además de las dos cargas positivas de los hidrógenos, otras dos cargas positivas que aportaría el carbono).
  • Con el dióxido de carbono o anhídrido carbónico: CO2 + H2O = H2CO3. En este caso, el número de oxidación del carbono es IV (los tres oxígenos aportan seis cargas negativas, que se anulan con las dos cargas positivas de los hidrógenos y con cuatro cargas positivas del carbono).
  • Con el trióxido de azufre o anhídrido sulfúrico: SO3 + H2O = H2SO4. En los dos compuestos el número de oxidación del azufre es VI (las ocho cargas negativas de los oxígenos se anulan con las dos cargas positivas de los hidrógenos y las que aporte el azufre, que tienen que ser seis).
  • Con el heptaóxido de dicloro o anhídrido perclórico: Cl2O7 + H2O = H2Cl2O8 = HClO4. El cloro actúa, en ambos, con su mayor número de oxidación, VII (las siete cargas positivas del cloro más la carga positiva del hidrógeno igualan las ocho cargas negativas que aportan los cuatro oxígenos).

Nomenclatura tradicional de los oxoácidos

La nomenclatura tradicional está tan extendida en los oxoácidos, y de ella derivan tantos nombres, que es casi imposible sustituirla, de manera que la IUPAC no puede evitar aceptarla y usarla. Es, por tanto, la que vamos a detallar en este momento, y relegaremos otras nomenclaturas pues solo pueden ser del interés de estudiantes de niveles más avanzados de química. En ella se utilizan las mismas reglas que para la nomenclatura de los anhídridos:

En la nomenclatura tradicional los oxoácidos se nombran como ácidos del elemento en cuestión, a cuyo nombre se le pueden añadir los prefijos hipo–/per– y los sufijos –oso/–ico, para indicar el estado de oxidación con el que participa. 

  • Cuando el elemento no metálico tiene un único número de oxidación, a la raíz del nombre se le añade la terminación –ico.
  • Para aquellos no metales con dos números de oxidación, se añade la terminación –oso a la raíz del nombre cuando actúa con el número de oxidación menor, y la terminación –ico cuando se trata del mayor.
  • Si el no metal tiene tres números de oxidación, se añade el prefijo hipo– y el sufijo –oso para el menor, únicamente el sufijo –oso para el intermedio, y el sufijo –ico para el mayor.
  • En el caso de actuar con cuatro números de oxidación distintos, se utiliza el sufijo –oso para los dos primeros y el sufijo –ico para los demás, añadiendo el prefijo hipo– al menor de todos y el prefijo per– al más alto.

Según esto, los ejemplos previamente utilizados se nombrarían así:

  • El ácido derivado del monóxido de carbono o anhídrido carbonoso es H2CO2. por lo que su nombre sería ácido carbonoso, ya que actúa con su número de oxidación menor (II).
  • El ácido derivado del dióxido de carbono o anhídrido carbónico es H2CO3. En este caso, el carbono actúa con su número de oxidación mayor (IV), por lo que su nombre es ácido carbónico.
  • El ácido derivado del trióxido de azufre o anhídrido sulfúrico es H2SO4, y su nombre es ácido sulfúrico, pues el azufre actúa con su número de oxidación más alto (VI).
  • El ácido derivado del heptaóxido de dicloro o anhídrido perclórico es HClO4. Como el cloro actúa con el número de oxidación más alto (VII) de los cuatro posibles, no solo es necesario el sufijo –ico, sino también el prefijo per–, por lo que su nombre es ácido perclórico.

A continuación se recogen las fórmulas y nombres de los oxoácidos de los elementos más representativos de cada grupo del bloque no metálico de la tabla periódica:

Nombre-fórmula-oxoácidos

Nombre y fórmula de los principales oxoácidos

También existen algunos oxoácidos de metales de transición. Los más importantes son los que se forman con el cromo y el manganeso, en sus estados de oxidación más altos:

Nombre-fórmula-oxoácidos-cromo-manganeso

Oxoácidos de cromo y manganeso

Para saber más: Las formas meta y orto 

Hasta el momento hemos visto los distintos oxoácidos que puede dar un mismo elemento con cada uno de sus números de oxidación. Pero también es posible encontrar oxoácidos que, estando el elemento no metálico en un mismo estado de oxidación, se diferencian en el grado de hidratación que presentan:

  • Todos los ácidos mencionados anteriormente se obtienen por adición de una molécula de agua al correspondiente anhídrido. Estas se denominan formas meta, y cuando es necesario distinguirlas de otros ácidos más hidratados se debe incorporar el prefijo meta– al nombre.
  • Los ácidos que tienen un mayor grado de hidratación, con una o dos moléculas de aguas adicionales respecto a la forma meta, se conocen como formas orto, y se añade el prefijo orto– al nombre para distinguirlas de las anteriores.

Son ejemplos típicos los oxoácidos del fósforo, cuando este actúa con número de oxidación V:

Nombre-fórmula-oxoácidos-fósforo-orto-meta

De la misma manera obtenemos los oxoácidos del arsénico y el antimonio (del mismo grupo que el fósforo):

Nombre-fórmula-oxoácidos-arsénico-antimonio

El boro y el silicio también forman oxoácidos con una molécula de agua adicional:

Fórmulas-nombres-oxoácidos-boro-silicio

La forma orto de los oxoácidos de P, Ar, Sb, B y Si es más estable, y por ello es la más común y el prefijo puede (y suele) eliminarse del nombre. 

En el caso de los oxoácidos de los elementos 16 y 17 la forma orto posee dos moléculas de agua más que la correspondiente forma meta (fíjate que en los anteriores era solo una molécula). Así ocurre con el telurio y el yodo:

Nombre-fórmula-oxoácidos-telurio-yodo

La forma meta de los oxoácidos de Te y I es la más estable, por eso, en este caso, es la que suele prescindir del prefijo.

Para saber un poco más: Las formas piro- o di-

Estos ácidos se forman por la unión (condensación) de dos moléculas del oxoácido precursor, con pérdida de una molécula de agua. En ellos simplemente hay que añadir el prefijo di– al nombre del ácido (antiguamente se usaba el prefijo piro–). Esto puede darse en el azufre, el fósforo y el cromo:

Nombre-fórmula-diácidos-oxoácidos

Formulación y nomenclatura: los hidróxidos

Vamos a comenzar con el estudio de los compuestos ternarios, es decir, aquellos que están formados por tres elementos distintos. En general, podemos distinguir tres grandes grupos de compuestos que se ajustan a esta descripción: los hidróxidos, los oxoácidos y las oxisales. Abordaremos, en primer lugar, los hidróxidos pues, como se verá, su formulación y nomenclatura guardan una gran similitud con los compuestos binarios.

El ion hidróxido

El nombre de estos compuestos se debe a que en ellos siempre aparece el ion hidróxido: OH. Este es un anión heteropoliatómico, derivado de una molécula de agua, por pérdida de un protón (H+), por lo que su estructura es:

Anión-hidróxido

Debido a la pérdida del protón (en rigor, se debería denominar hidrón), el oxígeno adquiere una carga negativa (pues se queda con el electrón del hidrógeno saliente). Por ello, sería más lógico representarlo como HO, para indicar que la carga recae sobre el oxígeno, y no sobre el hidrógeno. Además, de esta manera se respetaría el orden de la secuencia de elementos que hemos empleado en otras ocasiones (el oxígeno, más electronegativo, debería situarse después del hidrógeno). Sin embargo, la costumbre de escribir OH está tan arraigada que es de uso habitual, y en pocas ocasiones nos encontraremos con la otra opción (al menos en este tipo de compuestos).

Formulación de los hidróxidos

El anión hidróxido actúa como un único grupo con número de oxidación –I, por lo que se combina con cationes de naturaleza, fundamentalmente, metálica, es decir, con número de oxidación positivo. Según esto:

La fórmula general de un hidróxido es M(OH)n, donde M es el símbolo químico del metal y n se corresponde con su número de oxidación.

Según la IUPAC, los agrupaciones de átomos deben ir entre paréntesis en la fórmula, aunque su uso no es obligatorio en iones de uso común, como es el caso del anión hidróxido, salvo que al paréntesis de cierre le siga un subíndice multiplicador, en cuyo caso es siempre necesario.

Así, cuando el anión hidróxido se asocia con el cobre, este puede participar con dos números de oxidación distintos: con el número de oxidación I, el hidróxido sería CuOH o Cu(OH); con el número de oxidación II, el hidróxido sería Cu(OH)2. Téngase en cuenta que si en este segundo caso obviáramos el paréntesis, la fórmula CuOH2 parecería indicar que hay dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, y no dos de cada elemento agrupados en sendos aniones como realmente ocurre.

Nomenclatura de hidróxidos

Como decíamos, los hidróxidos se nombran de manera similar a los compuestos binarios, pues al considerar el anión como un grupo que tiene un nombre propio y posee una carga determinada, podemos leer fácilmente la fórmula de derecha a izquierda como en anteriores ocasiones:

Los hidróxidos se nombran con la palabra hidróxido seguida de la preposición “de” y el nombre del metal.

Como viene siendo habitual, cuando sea necesario:

  • Se indica mediante un prefijo multiplicador (di–, tri–, tetra–, etc.) el número de iones hidróxido que aparecen en la molécula.
  • Puede indicarse el número de oxidación del metal, inmediatamente después de nombrarlo (sin espacio), entre paréntesis y en números romanos.
  • También puede señalarse el número de carga del metal, a continuación de su nombre (sin espacios), entre paréntesis y en números arábigos (añadiendo el signo).

Los siguientes ejemplos aclararán lo anterior:

Fórmula-nomenclatura-hidróxidos

Fórmula y nombre de algunos hidróxidos

Aunque no son nombres oficiales, los hidróxidos de sodio y potasio son muy conocidos por sus nombres comunes o comerciales: sosa (cáustica) y potasa (cáustica), respectivamente.

A veces nos podemos encontrar con algún hidróxido de cierta complejidad. Por ejemplo, el mercurio, cuando actúa con número de oxidación I, forma un hidróxido de fórmula Hg2(OH)2, y no HgOH. ¿Por qué no se simplifica su fórmula? Porque, en realidad, en su molécula se unen entre sí dos átomos de mercurio, formando un catión diatómico que se enlaca a dos aniones hidróxido: HO-Hg-Hg-OH. Pero esto, aunque pueda sorprendernos, por ser desconocido, no nos impide nombrarlo, pues nos limitamos a dar nombres de composición para los cuales la distribución de átomos es indiferente. En estos casos recomiendo usar los prefijos multiplicadores, pues nunca nos harán dudar, con los que el nombre del Hg2(OH)2 sería dihidróxido de dimercurio. También podríamos optar por el número de oxidación, en cuyo caso el nombre sería hidróxido de mercurio(I), aunque también hidróxido de dimercurio(I), pues con esto quedaría claro que aparecen dos átomos de mercurio, y no uno. Sin embargo, al usar el número de carga debemos tener cuidado, pues no olvidemos que el catión diatómico Hg22+ tiene dos cargas positivas, por lo que en el nombre habría que decir hidróxido de dimercurio(2+).

Otro compuesto ternario que puede generarnos dudas es el hidróxido de amonioNH4OH, que se representa así precisamente para remarcar la existencia del catión amonio (NH4+) y del anión hidróxido (OH) en su estructura. Podría, incluso, insistirse en ello mediante el uso de paréntesis (NH4)(OH), aunque son grupos iónicos tan comunes que estos no suelen emplearse.

Carácter Básico de los Hidróxidos

Aunque al estudiar la formulación y la nomenclatura de los compuestos no nos detenemos en analizar sus propiedades y reactividad, vamos a hacer una breve descripción del comportamiento básico de los hidróxidos.

Según Arrhenius, un ácido es una sustancia que cede protones al medio, mientras que una base se caracteriza por ceder hidróxidos.

El anión hidróxido es, por definición, un compuesto básico. Por tanto, los hidróxidos, al disolverse en agua, disminuyen la acidez del medio. Los hidróxidos de los metales alcalinos (Na, K, Rb…) son bases fuertes, pues son muy solubles en agua. Los hidróxidos de los metales alcalinotérreos (Mg, Ca, Sr…) son bastante menos solubles, por lo que su basicidad es menor. Mientras que los hidróxidos de los demás metales (Zn, Al…), son más o menos insolubles en agua, y pueden actuar, en según qué condiciones, como bases o como ácidos (son anfóteros). También pueden existir hidróxidos ácidos formados por no metales (como el boro), aunque este comportamiento no es habitual y son poco numerosos.

Para saber más: Los Oxihidróxidos

Son compuestos ternarios en los que el metal se une tanto a un anión O2–  (óxido) como a un OH (hidróxido), por lo que su fórmula general es del tipo MO(OH). En su nombre se citan primero los aniones (hidróxido óxido) y luego el catión metálico. Veamos unos ejemplos:

  • AlO(OH): hidróxido óxido de aluminio.
  • CoO(OH): hidróxido óxido de cobalto(III).
  • CrO(OH): hidróxido óxido de cromo(III).
  • FeO(OH): hidróxido óxido de hierro(III).

FeO(OH)-estructura-goetita-oxihidroxido

Evidentemente, en ellos el número de oxidación del metal debe ser III, como mínimo, para poder igualar los de los aniones óxido (–II) e hidróxido (–I). Si el número de oxidación del metal fuese mayor, serían necesarios más aniones:

  • CrO2(OH)2: dihidróxido dióxido de cromo(VI).
  • UO2(OH)2: dihidróxido dióxido de uranio(VI).
  • Mo2O5(OH)2: dihidróxido pentaóxido de dimolibdeno(VI).

Formulación y nomenclatura: las sales y otras combinaciones binarias

Hasta el momento hemos estudiado dos casos particulares de combinaciones binarias: aquellas en las que participa el hidrógeno (hidruros) y otras en las que interviene el oxígeno (óxidos). Ahora vamos a tratar las demás combinaciones posibles entre los demás elementos, que suelen separarse en dos grandes grupos:

  • Combinaciones de elementos de diferente electronegatividad, generalmente entre un metal electropositivo y un no metal electronegativo.
  • Combinaciones de elementos de electronegatividad comparable, generalmente no metales entre sí.

En el primer caso podemos considerar que el metal existe como catión y el no metal como anión, de manera que el enlace que se establece entre ellos es de naturaleza electrostática, por lo que forman sólidos iónicos, denominados sales. Sin embargo, en la segunda opción, cuando los elementos que se combinan son no metálicos, la diferencia de electronegatividad entre ellos no es muy grande y su unión, aunque pueda tener una pequeña contribución iónica, es fundamentalmente covalente. Estos compuestos suelen ser sólidos o líquidos moleculares, y su fórmula representa el número de átomos que se combinan entre sí en una molécula (fórmula molecular), mientras que las sales forman redes cristalinas, en las que es imposible identificar moléculas discretas, por lo que su fórmula simplemente indica la proporción con la que se combinan los elementos en el compuesto (fórmula empírica).

Sales Binarias (Metal + No metal)

Para formularlos debemos tener en cuenta la secuencia de los elementos que hemos utilizado en otras ocasiones:

orden-electronegatividad

En la fórmula de una sal binaria se sitúa, en primer lugar, el símbolo del metal y, en segunda posición, el símbolo del no metal.

Como siempre, hay que indicar mediante un subíndice el número de átomos de cada elemento. De manera general, cada elemento lleva como subíndice el número de oxidación del otro, simplificando siempre que se pueda.

Veamos como se formulas algunas sales:

  • Cuando se combinan potasio (metal, número de oxidación I) y yodo (no metal, número de oxidación –I), la sal que se obtiene se formula como KI.
  • Cuando se combina el sodio (metal, número de oxidación I) y el azufre (no metal, número de oxidación –II), se obtiene la sal Na2S.
  • Cuando se combinan calcio (metal, número de oxidación II) y selenio (no metal, número de oxidación –II), se obtiene el compuesto CaSe (simplificado).

Como en el resto de compuestos binarios, para nombrar estas sales debemos leer su fórmula de derecha a izquierda:

En el nombre de las sales binarias, se cita primero el anión (añadiendo la terminación –uro a la raíz del nombre del no metal) y a continuación el catión (nombre del metal), con la preposición “de” entre ambos. 

Así, obtendríamos los siguientes nombres para los ejemplos citados: yoduro de sodio (KI), sulfuro de sodio (Na2S) y selenuro de calcio (CaSe). Al igual que ocurría en óxidos e hidruros (y como se explica al final de esta entrada), habría que añadir prefijos multiplicadores, o bien, indicar el número de oxidación o de carga del elemento metálico, cuando sea necesario:

Nomenclatura-sales-binarias.png

Fórmula y nombre de algunas sales binarias

Combinaciones binarias de no metales

En base a la anterior secuencia de elementos y prescindiendo de oxígeno e hidrógeno:

Para formular una combinación binaria de dos elementos no metálicos, los elementos deben ordenarse según la siguiente secuencia:

Ga < Al < B < Pb < Sn < Si < C < Sb < As < P < N < Te < Se < S < I < Br < Cl < F

Cuando se combinan dos no metales, debemos pensar primero cuál es más electronegativo para asignarle el número de oxidación negativo, y al menos electronegativo, el número de oxidación positivo. Por ejemplo:

  • Cuando se combinan el carbono y el silicio: el carbono actúa con el número de oxidación negativo, −IV; mientras que al silicio le corresponde el número de oxidación positivo, IV; por tanto, la fórmula del compuesto es SiC (simplificado).
  • Cuando se combinan el cloro y el fósforo: el cloro actúa con el número de oxidación negativo, –I; el fósforo podría presentar números de oxidación III o V; por tanto, serían posibles dos compuestos, el PCl3 y el PCl5.

Estos compuestos se nombran como las sales binarias, aunque en este caso es más aconsejable el uso de prefijos multiplicadores o, a lo sumo, el número de oxidación. Dada la poca diferencia de electronegatividad entre los elementos no metálicos, no se puede considerar que estos se encuentren como iones, por lo que no tendría sentido utilizar el número de carga en su nomenclatura (lo mismo que ocurría en los óxidos no metálicos, frente a los óxidos metálicos). Algunos ejemplos:

Nomenclatura-combinaciones-binarias-no-metales.png

Fórmula y nombre de algunas combinaciones binarias de elementos no metálicos

Los halogenuros de oxígeno se pueden considerar un caso particular de estos compuestos, pues las actuales recomendaciones de la IUPAC no hacen distinción alguna y no dan un trato preferente al oxígeno frente a otros elementos. Aun así, las combinaciones binarias del oxígeno, por su importancia y características (también por costumbre), han sido estudiadas en este blog de forma separada (como óxidos).

Comparación-nombres-formulas-halogenuros-oxigenos-oxidos

Comparación: halogenuro de oxígeno vs. óxido no metálico (la IUPAC recomienda actualmente la primera)

Combinaciones pseudobinarias

Hay algunos compuestos formados por más de dos elementos, pero que, en la práctica se formulan y nombran como binarios. Esto ocurre cuando uno de los iones, anión o catión, es poliatómico, pero actúa como un grupo con entidad propia, con una carga y un nombre concretos. Veamos un par de ejemplos comunes:

  • NaCN. Este compuesto está formado por la unión del catión Na+ y el anión CN, denominado cianuro. Su nombre es, por tanto, cianuro de sodio.
  • NH4Cl. En este compuesto se unen el catión amonio, NH4+, con el anión cloruro Cl. Su nombre es cloruro de amonio.

Incluso, entre ellos, pueden forman un compuesto: NH4CN, cianuro de amonio.

Formulación y nomenclatura: los compuestos binarios

Los elementos químicos se pueden combinar entre sí de diferentes maneras para formar gran variedad de compuestos. Las combinaciones más sencillas son aquellas en las que participan solo dos elementos distintos: los compuestos binarios. Entre ellos, por ejemplo, se encontraría el agua (formada por oxígeno e hidrógeno), la sal común (que se obtiene por la unión de átomos de cloro y de sodio) o el benceno (anillo de átomos de carbono enlazados a hidrógenos).

¿Cómo representamos los compuestos?

Cada compuesto se caracteriza por la proporción que hay entre los átomos de sus elementos constituyentes, que se representa mediante su fórmula química:

  • Las fórmulas empíricas ofrecen la relación más sencilla en la que se encuentran los átomos en un compuesto.
  • Las fórmulas moleculares indican el número de átomos que forman parte de cada molécula (cuando el compuesto es molecular).
  • Las fórmulas estructurales informan sobre la distribución de los átomos y los enlaces que se establecen entre ellos.

Analicemos las diferencias entre ellas:

  • En el agua la cantidad de hidrógenos es el doble que la de oxígenos, por lo que su fórmula empírica es H2O. Como el agua está formada por moléculas discretas, cada una de las cuales contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, su fórmula molecular coincide con la anterior. Los enlaces covalentes entre hidrógeno y oxígeno quedan patentes en su fórmula estructural:

fórmula-estructural-agua

  • En la sal común la cantidad de sodio es la misma que la de cloro, por lo que su fórmula empírica sería NaCl. Este no es un compuesto molecular, es decir, no se puede decir que en realidad existan moléculas individuales de sodio y cloro, sino que estos átomos se apilan de manera ordenada formando una estructura mucho mayor, conocida como red cristalina:

Estructura-NaCl

  • En el benceno, el número de átomos de carbono coincide con el de átomos de hidrógeno, por lo que su fórmula empírica sería CH. Este sí es un compuesto molecular, y al estudiarlo, comprobamos que en cada molécula hay seis átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno, por lo que su fórmula molecular es C6H6 (en este caso no coincide con la empírica, sino que es un múltiplo de ella, pero la relación de átomos es la misma). Los átomos de carbono se unen entre sí formando un anillo hexagonal, y cada uno se enlaza a un hidrógeno, lo cual aparece reflejado en su fórmula estructural:

Benceno-estructura

La fórmula estructural aporta mucha más información, lo que resulta especialmente útil en moléculas orgánicas (como el benceno) o de estructura compleja. Pero este no es el caso que nos ocupa ahora, por lo que nos bastará con conocer la fórmula molecular de un compuesto (o la empírica, en su defecto) para poder nombrarlo o identificarlo.

¿Cómo obtenemos la fórmula de un compuesto?

En la fórmula de un compuesto se representan los elementos que lo forman mediante sus respectivos símbolos, y el número de átomos de cada uno mediante un subíndice. Para formular un compuesto binario debemos tener en cuenta, fundamentalmente, dos cosas:

  • ¿Qué elemento va en primer lugar en la fórmula?
  • ¿Qué subíndice le corresponde a cada elemento?

Para responder a la primera pregunta, seguiremos las actuales recomendaciones de la IUPAC, que propone la siguiente secuencia de elementos, basada en consideraciones de electronegatividad, en la que la flecha hace un recorrido que parte del elemento menos metálico y continúa hacia el elemento más metálico (finalizando con los gases nobles):

Secuencia-orden-elementos-formulacion

En las fórmulas de los compuestos binarios, el elemento que se encuentre el último al seguir la flecha, se representa el primero en la fórmula.

Los elementos se ordenan en una fórmula empezando por el más metálico (menos electronegativo) y terminando por el menos metálico (más electronegativo).

Aunque a grandes rasgos la electronegatividad varía de esta manera, no es una coincidencia exacta. La IUPAC intenta simplificar el recorrido al ir de grupo en grupo, y de arriba a abajo. Solamente el hidrógeno tiene una posición única. Esto significa que el oxígeno, que anteriormente disfrutaba de un estatus especial, recibe ahora la misma consideración que los demás elementos y aparece en la secuencia en la posición que le corresponde por su situación en la tabla periódica (antes el oxígeno se solía situar al final, por tener una electronegatividad solo superada por el flúor).

Con respecto a la segunda pregunta, para asignar los subíndices adecuados a cada elemento, debemos tener en cuenta que la suma de los números de oxidación en una sustancia neutra siempre es nula (si fuese un ion sería su carga). En un compuesto binario, el número de oxidación del elemento más electronegativo debe ser compensado con el número de oxidación del elemento más electropositivo. Si ambos son iguales, pero de signo opuesto, no hay problema (su suma es cero), y en la fórmula sólo aparecería un átomo de cada elemento. Sin embargo, cuando los números de oxidación no coinciden, debemos compensarlo variando el número de átomos hasta que el valor de ambos se iguala. La estrategia general consiste en añadir tantos átomos de un elemento como indique el número de oxidación del otro.

Veamos algunos ejemplos:

  • Una combinación binaria de calcio y azufre. El número de oxidación del calcio es II, y el del azufre, –II. Como ambos coinciden, en la fórmula solo debemos incluir un átomo de cada para que la suma sea cero, por lo que, respetando el orden que les corresponde, la fórmula sería: CaS.
  • Una combinación binaria de aluminio y oxígeno. El aluminio, más electropositivo, tendría número de oxidación III. Por su parte, el oxígeno, más electronegativo, actuaría con número de oxidación –II. Con dos átomos de aluminio y tres de oxígeno conseguiríamos empatar los números de oxidación, y la fórmula resultante sería: Al2O3.

¿Cómo se nombra un compuesto a partir de su fórmula?

Al igual que ocurría con las fórmulas, también existen diferentes tipos de nombres, y cada uno aporta una información distinta de la molécula:

  • Los nombres de composición indican únicamente la cantidad de átomos de cada elemento en el compuesto. Dan poca información de cómo se distribuyen los átomos en la molécula.
  • Los nombres de sustitución se basan en el nombre de un compuesto de partida (progenitor), en el que se han sustituido algunos átomos por otros (derivado). Inspirados en la nomenclatura orgánica, dan bastante información sobre la estructura de la molécula.
  • Los nombres de adición se forman a partir del nombre del átomo central al que se van añadiendo los átomos con los que se enlaza. Da mucha información sobre la estructura de la molécula.

Aunque los nombres de composición son los que menos información estructural ofrecen, son los que vamos a utilizar casi de manera exclusiva. El uso de nombres de sustitución y de adición requiere tener ciertos conocimientos de los compuestos y la manera en que se enlazan sus átomos, por lo que pueden ser muy útiles cuando se especializa el estudio, pero no en los cursos iniciales y, mucho menos, en las primeras tomas de contacto con la nomenclatura inorgánica.

El tipo de nombre de composición más sencillo es un nombre estequiométrico, que es solamente el reflejo de la fórmula empírica o molecular del compuesto.

En los compuestos binarios se cita primero el elemento situado a la derecha en la fórmula, añadiendo el sufijo –uro a la raiz de su nombre, y a continuación el nombre del elemento situado a la izquierda en la fórmula, con la preposición “de” entre medias. 

Nótese que el elemento situado a la izquierda es, por convenio, más electronegativo, y por ello se nombra como si se tratase de un anión, por lo que el elemento situado a la derecha, más electropositivo, se consideraría un catión. Esto hace pensar que el enlace tiene una naturaleza iónica, lo cual no siempre se corresponde con la realidad.

Por ejemplo, el nombre estequiométrico del compuesto de fórmula NaCl es cloruro sódico (sal común) y el del CaS es sulfuro de calcio. Solo el oxígeno se mantiene como excepción, y cuando va situado al final de la fórmula se le nombra como óxido, por lo que el compuesto MgO no es oxigenuro de calcio, sino óxido de calcio.

Cuando las proporciones de los elementos en la fórmula no son las mismas, pueden indicarse de diferentes maneras:

  • Mediante prefijos multiplicadores (mono–, di–, tri–, tetra–, penta–…) para indicar el número de átomos de cada elemento (antes llamada nomenclatura sistemática). Por ejemplo, el nombre para el Al2O3 es trióxido de aluminio. El prefijo mono– es superfluo, y solo se debe utilizar en los casos en que convenga distinguir un compuesto de otro con los mismo elementos, como ocurre con el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO2).
prefijos-griegos-nomenclatura

Tabla con los prefijos multiplicadores

  • Indicando el número de oxidación pertinente entre paréntesis (y en números romanos) inmediatamente después del nombre, sin dejar un espacio (antigua nomenclatura de Stock). Esto solo es necesario cuando el elemento tiene posibilidad de actuar con más de un número de oxidación, por ejemplo, en el óxido de aluminio (Al2O3) no sería necesario (el aluminio solo puede tener número de oxidación III) pero sí en los compuestos de hierro: cloruro de hierro(II) para el FeCl2 o cloruro de hierro(III) para el FeCl3.
  • Indicando el número de carga, de la misma manera que el anterior, pero en números arábigos y con el signo correspondiente (número de Ewens-Bassett). Como ocurre con los números de oxidación, solo se indica cuando es necesario: hidruro de plomo(2+) o hidruro de plomo(4+), para los compuestos PbH2 y PbH4, respectivamente.

Estos criterios son de aplicación general en todos los compuestos binarios, aunque suele clasificarse su estudio por grupos de compuestos, por lo que es conveniente prestar atención a las particularidades de cada uno de ellos, pues en ciertos casos se recomiendan otros nombres o se aceptan otras nomenclaturas.