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.

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…

Introducción a las reacciones redox: conceptos de oxidación y reducción

Tradicionalmente, los términos de oxidación y reducción se han utilizado para describir los siguientes procesos:

  • Oxidación: proceso o reacción en el que una sustancia aumenta su contenido o su proporción de oxígeno.
  • Reducción: proceso o reacción en el que una sustancia disminuye su contenido o proporción de oxígeno.

Redox-primer-concepto

Actualmente, los conceptos de oxidación y reducción se han ampliado de manera que incluyen a todos los procesos en los que tiene lugar una transferencia de electrones:

  • Oxidación es todo proceso en el cual una especie química pierde electrones.
  • Reducción es todo proceso en que una especie química gana electrones.

Una reacción de oxidación-reducción, o redox, es un proceso de transferencia de electrones en el que una sustancia se oxida y otra se reduce, de manera simultánea:

Redox-oxidacion-reduccion

En estos procesos podemos diferenciar:

  • Semirreacción de oxidación: proceso en el cual una sustancia se oxida, es decir, pierde electrones.
  • Semirreaccción de reducción: proceso en el cual una sustancia se reduce, es decir, gana electrones.
  • Oxidante: sustancia que provoca la oxidación de otra, pues acepta los electrones que proceden de la sustancia que se oxida.
  • Reductor: sustancia que provoca la reducción de otra, pues cede los electrones necesarios para que la otra sustancia se reduzca.

Los procesos de oxidación y reducción transcurren de manera simultánea: la especie reductora se oxida (pasa de la forma reducida a otra oxidada) mientras que la especie oxidante se reduce (pasa de una forma oxidada a otra reducida).

Los conceptos de oxidante y reductor son relativos, pues una sustancia que actúa como oxidante en una reducción puede hacerlo como reductora en otra.

Pares redox

El agente oxidante y su forma reducida, o el agente reductor y su forma oxidada, forman un par conjugado redox. La forma reducida del agente oxidante es el reductor conjugado y la forma oxidada del agente reductor es el oxidante conjugado. Cuanto más fuerte es un agente oxidante más débil es su reductor conjugado, y cuanto más fuerte es un agente reductor más débil es su oxidante conjugado, y viceversa.

Número de oxidación

El número de oxidación de un elemento en un compuesto es la carga eléctrica que se le asignaría si los electrones de cada uno de los enlaces que forma perteneciesen exclusivamente al átomo más electronegativo. En el caso de los compuestos puramente iónicos, el número de oxidación de cada átomo coincide con la carga de su ion (es lo que conocemos como valencia iónica).

Redox-numeros-oxidacion-reglas-asignacion

En una reacción redox el número de oxidación de las especies que intervienen varía:

  • Oxidación es el proceso en el que una especie aumenta su número de oxidación. Un elemento se oxida cuando su número de oxidación aumenta (actúa como reductor), es decir, pasa de una forma reducida a otra más oxidada (de una forma con menor número de oxidación a otra con mayor número de oxidación).
  • Reducción es el proceso en el que una especie disminuye su número de oxidación. Un elemento se reduce cuando su número de oxidación disminuye (actúa como oxidante), es decir, pasa de una forma oxidada a otra más reducida (de una forma con mayor número de oxidación a otra con menor número de oxidación)

redox-reduccion-oxidacion

Las especies con un número de oxidación intermedio, pueden actuar como oxidantes (reduciéndose al una especie con menor número de oxidación) o como reductores (oxidándose a una especie con mayor número de oxidación).

Todos estos conceptos pueden resultar algo confusos al principio, así que lo mejor es practicar un poco con unos ejercicios.