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 iones simples

Un ion es un átomo, o un grupo de átomos, que posee una carga neta. Los iones se pueden clasificar de la siguiente manera:

Iones-clasificación.png

  • Según la carga del ion podemos distinguir: cationes (iones con carga positiva) y aniones (iones con carga negativa). Los metales, debido a su baja electronegatividad, forman fácilmente cationes, mientras que los no metales, más electronegativos, tienden a formar aniones.
  • Según el número de átomos que constituyen el ion: monoatómicos (formados por un único átomo) y poliatómicos (formados por más de un átomo).
  • Dentro de los iones poliatómicos, podemos distinguir: iones homopoliatómicos (formados por átomos de un mismo elemento) e iones heteropoliatómicos (formados por más de un tipo de átomos).

En esta entrada se tratarán los iones monoatómicos y homopoliatómicos:

Cationes monoatómicos

Los cationes monoatómicos son iones cargados positivamente y formados por un único átomo.

Los cationes monoatómicos se representan mediante el símbolo del elemento (A), y un subíndice en el que se indica el valor y el signo de la carga (n+): An+. Por ejemplo: H+, Na+, Ca2+, Fe3+, Pb4+

El nombre de un catión monoatómico es el del elemento con el número de carga pertinente (sin espacios entre medias).

El número de carga, anteriomente llamado número de Ewens-Bassett, se expresa en números arábigos, seguido del signo y siempre entre paréntesis. Por ejemplo:

nomenclatura-cationes-monoatómicos.png

Símbolo y nombre de algunos cationes monoatómicos

Aunque esta es la forma que habitualmente utiliza la IUPAC, también se puede sustituir el número de carga por el número de oxidación (al estilo de la nomenclatura de Stock), el cual debe escribirse en números romanos y sin signo (en el caso de los cationes). Con ella tendríamos nombres como cobre(I), hierro(II), cromo(III), plomo(IV), etc.

A pesar de estar desaconsejada por la IUPAC, la nomenclatura tradicional está relativamente extendida en los textos, por lo que puede ser conveniente conocerla. En ella, cuando se quiere especificar el número de oxidación del elemento, se añade un sufijo a la raíz del nombre: la terminación –oso indica que el elemento actúa con el menor número de oxidación, mientras que la terminación –ico se usa para el número de oxidación mayor. Por ejemplo, los dos cationes del hierro se denominarían ferroso (Fe2+) y férrico (Fe3+), pues sus números de oxidación son II y III, respectivamente.

Además, la IUPAC acepta los siguientes nombres para los cationes del hidrógeno y sus isótopos:

nomenclatura-cationes-hidrógeno-isotopos

Nombres de los cationes del hidrógeno y sus isótopos

Cationes homopoliatómicos

Los cationes homopoliatómicos son iones cargados positivamente, formados por la unión de varios átomos de un mismo elemento.

Los cationes homopoliatómicos se representan mediante el símbolo del elemento (A), un subíndice que indica el número de átomos que lo constituyen y un superíndice donde aparece el valor y el signo de la carga.

Los cationes homopoliatómicos se nombran como los cationes monoatómicos, anteponiendo un prefijo multiplicador que identifica el número de átomos que aparecen. 

nomenclatura-cationes-homopoliatómicos

Fórmula y nombre de algunos cationes homopoliatómicos

Para evitar ambigüedades en la nomenclatura de los iones homopoliatómicos, la IUPAC no recomienda el uso de los números de oxidación, pues estos se refieren a los átomos individuales de los elementos y, a diferencia de lo que ocurre en los iones monoatómicos, no coinciden numéricamente con la carga. Por ejemplo, en el catión dimercurio(2+), el número de oxidación es I, por lo que el nombre dimercurio(I) podría resultar confuso.

Aniones monoatómicos

Los aniones monoatómicos son iones cargados negativamente que están formados por un único átomo. De manera análoga a los cationes monoatómicos:

Los aniones monoatómicos se representan mediante el símbolo del elemento (A) y un superíndice en el que se indica el valor y el signo de la carga (n–): An–. Por ejemplo: H, Cl, S2–, N3–, C4–

Sin embargo, hay un pequeño matiz distintivo en su nomenclatura:

El nombre de un anión monoatómico se obtiene al añadir el sufijo -uro a la raíz del elemento, además del número de carga pertinente (sin espacios entre medias).

Veamos como se aplica con algunos ejemplos:

nomenclatura-aniones-moniatómicos.png

Nombre de algunos aniones monoatómicos

Cuando no exista ambigüedad puede omitirse el número de carga en el nombre del anión, algo que ocurre frecuentemente, como en los ejemplos anteriores: hidruro, cloruro, sulfuro…

El oxígeno es una excepción y su anión, O2–, no se denomina oxigenuro, sino óxido.

Aniones homopoliatómicos

Los aniones homopoliatómicos son iones cargados negativamente, formados por la unión de varios átomos de un mismo elemento. De manera similar a los cationes homopoliatómicos:

Los aniones homopoliatómicos se representan mediante el símbolo del elemento (A), un subíndice que indica el número de átomos que lo constituyen y un superíndice en el que se recoge el valor y el signo de la carga.

Los aniones homopoliatómicos se nombran como los aniones monoatómicos, anteponiendo un prefijo multiplicador para señalar el número de átomos que aparecen. 

En los siguientes ejemplos se indican, además, algunos nombres tradicionales aceptados por la IUPAC:

nomenclatura-aniones-homopoliatómico

Fórmulas y nombres de algunos aniones homopoliatómicos

En los aniones homopoliatómicos tampoco se recomienda el uso de los números de oxidación, por las mismas razones que se expusieron para los cationes homopoliatómicos. En el anión dióxido(2–) el oxígeno actúa con número de oxidación –I, y esto podría conducir a equívocos. Es más, en algunos aniones, como en el dióxido(1–) o el trinitruro(1–), se deberían asignar números de oxidación formalmente fraccionarios, lo cual debe evitarse siempre.

Elementos, isótopos e iones

La primera definición de elemento químico se debe al gran Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794), quien es considerado el padre de la Química moderna (pues la elevó a la categoría de actividad científica fundamentada en la investigación). En su Tratado elemental de química (1789) hace una clasificación de los elementos conocidos (un total de 32, incluyendo la luz y el calórico, la supuesta materia del fuego), entendiendo como tales las sustancias puras que no pueden descomponerse en otras más sencillas.

Unos años después, el científico inglés John Dalton asentó definitivamente la naturaleza atómica de la materia, entendiendo que los átomos de un mismo elemento eran siempre iguales entre sí y distintos a los de otros elementos. A simple vista, las diferencias entre elementos eran obvias: estado físico, color, brillo, olor, sabor… Incluso había algunas pautas para identificarlos por su comportamiento químico, pero ¿qué distinguía a un elemento de otro a nivel atómico?

Con el descubrimiento de las leyes ponderales, se hicieron las primeras clasificaciones de los elementos en función de sus masas atómicas y se comprobó que se podían ordenar de tal manera que formaban grupos de elementos con propiedades análogas. De este modo surgió la tabla periódica de los elementos, que se ha ido perfeccionando y completando con el tiempo. Esto fue posible gracias a una serie de científicos, como Thomson, Rutherford o Chadwick, que, a finales del siglo XIX y principios del siglo XX, descubrieron las tres partículas elementales que constituyen el átomo: el protón y el neutrón, que concentran casi toda la masa del átomo en una pequeña región central llamada núcleo; y el electrón, de masa insignificante (en comparación con la del protón o el neutrón) y en continuo movimiento alrededor del núcleo a gran distancia de él. Según esto, la masa de un átomo se puede considerar que coincide con la de su núcleo y, en consecuencia, es en el núcleo donde radica la diferencia entre átomos, es decir, entre unos elementos y otros.

Número atómico y número másico

Dado que la masa de un átomo es, básicamente, la masa de su núcleo, y este está formado por protones y neutrones, se define:

Número másico: es el número de protones y de neutrones de un átomo.

El número de neutrones puede variar entre átomos de un mismo elemento, por lo que definimos:

Número atómico: es el número de protones de un átomo.

Por tanto, es el número atómico el que caracteriza y diferencia unos átomos de otros:

Los átomos de un mismo elemento poseen el mismo número atómico, es decir, el mismo número de protones.

Se conocen elementos con números atómicos comprendidos entre 1 y 118. El más pequeño es el hidrógeno, con un único protón, mientras que el elemento químico de mayor número atómico que está presente en la naturaleza es el americio, con 95 protones. Los de mayor número atómico han sido obtenidos artificialmente, mediante bombardeo de átomos de menor tamaño con partículas alfa.

Normalmente, el número atómico se simboliza con la letra Z y el número másico con la letra A, representándose con un subíndice y un superíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo químico al que corresponden:

Número-atómico-másico-simbolo-elemento

Isótopos

Hemos dicho que los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número atómico (número de protones), pero no tienen por qué tener el mismo número másico (número de protones más neutrones). Por ello, definimos:

Isótopos: átomos de un mismo elemento (con el mismo número atómico) que difieren en el número de neutrones (distinto número másico).

La mayoría de los elementos químicos tienen más de un isótopo, aunque algunos son inestables. La existencia de isótopos implica que no todos los átomos de un mismo elemento tienen la misma masa (ya que pueden tener más o menos neutrones), motivo por el cual el número atómico es el criterio elegido para su clasificación. Además, tiene otra consecuencia importante:

La masa atómica de un elemento es una media ponderada de las masas atómicas de sus isótopos.

masa-atomica-ponderada

Es decir, al calcular la masa atómica de cada elemento, se ha de tener en cuenta la masa de sus isótopos y la proporción relativa en la que se presentan en la naturaleza. Esta diferencia de masa es especialmente notoria en los tres isótopos del hidrógeno, que reciben el nombre de protio (ningún neutrón), deuterio (un neutrón) y tritio (dos neutrones):

isotopos-hidrogeno

Si tenemos en cuenta que la masa de un protón es prácticamente la misma que la de un neutrón, el deuterio tiene aproximadamente el doble de masa que el protio, y la masa del tritio sería, más o menos, el triple. Sin embargo, como la abundancia natural del protio es del 99’98 % (de cada 10 000 átomos de hidrógeno, 9 998 son de protio), la media ponderada de sus masas atómicas es próxima a la unidad: 1’00794 u.

Iones

En general, la materia es eléctricamente neutra, por lo que el número de electrones de un átomo coincide con el número de protones presentes en su núcleo. Sin embargo, en ocasiones nos encontramos con átomos que presentan carga eléctrica y esto es debido a la pérdida o ganancia de un cierto número electrones:

  • Los átomos que han perdido electrones adquieren carga positiva (tienen más protones que electrones) y se denominan cationes:

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  • Los átomos que han ganado electrones adquieren carga negativa (tienen más electrones que protones) y se denominan aniones:

Formacion-de-anion.JPG

Los elementos metálicos tienen tendencia a formar cationes, mientras que los no metálicos suelen dar lugar a aniones. Evidentemente, la variación del número de electrones no afecta al núcleo, por lo que tanto los cationes como los aniones siguen perteneciendo al mismo elemento que el átomo de procedencia (ya que no cambian su número atómico).

La carga eléctrica de un ion se indica con un superíndice a la derecha del símbolo del elemento químico: Na+, Mg2+, Fe3+, N3–, O2–, Cl.

Ejemplo resuelto

ejercicio-resuelto-numero-atomico-masico-neutrones