2.6: Los compuestos moleculares e iónicos
Habilidades para desarrollar
- Definir los compuestos iónicos y moleculares (covalentes).
- Predecir el tipo de compuesto formado a partir de elementos basado en sus ubicaciones dentro de la tabla periódica
- Determinar las fórmulas para compuestos iónicos simples.
En las reacciones químicas ordinarias, el núcleo de cada átomo (y la identidad del elemento) permanece sin cambios. Sin embargo, los electrones se pueden agregar a los átomos por transferencia de otros átomos, si se pierden por transferencia a otros átomos o se pueden compartir con otros átomos. La transferencia y el intercambio de electrones entre los átomos gobiernan la química de los elementos. Durante la formación de algunos compuestos, los átomos ganan o pierden electrones y forman partículas cargadas eléctricamente llamadas iones. (Figura \(\PageIndex{1}\)).
Puede usar la tabla periódica para predecir si un átomo formará un anión o un catión, y con frecuencia puede predecir la carga del ion resultante. Los átomos de muchos metales del grupo principal pierden suficientes electrones para dejarlos con la misma cantidad de electrones que un átomo del gas noble precedente. Para ilustrar, un átomo de un metal alcalino (grupo 1) pierde un electrón y forma un catión con una carga de 1+; un metal alcalinotérreo (grupo 2) pierde dos electrones y forma un catión con una carga 2+, y así sucesivamente. Por ejemplo, un átomo de calcio neutro, con 20 protones y 20 electrones, fácilmente pierde dos electrones. Esto resulta en un catión con 20 protones, 18 electrones y una carga 2+. Tiene el mismo número de electrones que los átomos del gas noble precedente, argón, y se simboliza Ca 2+ . El nombre de un ión metálico es el mismo que el nombre del átomo metálico del cual se forma, por eso el Ca 2+ se llama ión de calcio.
Cuando los átomos de elementos que no son metales forman iones, generalmente ganan suficientes electrones para darles el mismo número de electrones que un átomo del próximo gas noble en la tabla periódica. Los átomos del grupo 17 ganan un electrón y forman aniones con una carga 1-; los átomos del grupo 16 ganan dos electrones y forman iones con una carga 2-, y así sucesivamente. Por ejemplo, el átomo de bromo neutro, con 35 protones y 35 electrones, puede ganar un electrón para darle 36 electrones. Esto da como resultado un anión con 35 protones, 36 electrones y una carga de 1-. Tiene el mismo número de electrones que los átomos del siguiente gas noble, el criptón, y se simboliza Br−. Una discusión de la teoría apoyando el estado favorecido de los números de electrones en los gases nobles, reflejado en estas reglas predictivas para la formación de iones, se da en uno de los capítulos que sigue.
Observe la utilidad de la tabla periódica para predecir la probable formación y carga de iones (Figura \(\PageIndex{2}\)). Moviéndose desde el extremo izquierdo hacia la derecha de la tabla periódica, los elementos del grupo principal tienden a formar cationes con una carga igual al número del grupo. Es decir, los elementos del grupo 1 forman 1+ iones; los elementos del grupo 2 forman 2+ iones, y así sucesivamente. Moviéndose desde el extremo derecho hacia la izquierda de la tabla periódica, a menudo, los elementos forman aniones con una carga negativa igual al número de grupos movidos hacia la izquierda desde los gases nobles. Por ejemplo, los elementos del grupo 17 (un grupo a la izquierda de los gases nobles) forman 1− iones; los elementos del grupo 16 (dos grupos a la izquierda) forman 2− iones, y así sucesivamente. Esta tendencia se puede usar como guía en muchos casos, pero su valor predicativo disminuye al moverse hacia el centro de la tabla periódica. De hecho, los metales de transición y algunos otros metales a veces exhiben cargas variables que no son predecibles por su ubicación en la tabla. Por ejemplo, el cobre puede formar iones con una carga de 1+ o 2+, y el hierro puede formar iones con una carga de 2+ o 3+.
Ejemplo \(\PageIndex{1}\): COMPOSICIÓN DE IONES
Un ion encontrado en algunos compuestos utilizados como antitranspirantes contiene 13 protones y 10 electrones. ¿Cuál es su símbolo?
Solución
Porque el número de protones permanece sin cambios cuando un átomo forma un ion, el número atómico del elemento debe ser 13. Sabiendo que esto nos permite usar la tabla periódica para identificar el elemento como Al (aluminio). El átomo de Al ha perdido tres electrones y por eso tiene tres cargas positivas más (13) que electrones (10). Este es el catión de aluminio, Al 3+ .
Ejercicio \(\PageIndex{1}\)
Dé el símbolo y el nombre para el ion con 34 protones y 36 electrones.
- Respuesta
-
Se 2− , el ion selenide
Ejemplo \(\PageIndex{2}\): Formación de iones
El magnesio y el nitrógeno reaccionan para formar un compuesto iónico. Prediga qué forma un anión, que forma un catión, y las cargas de cada ion. Escriba el símbolo para cada ion y nómbralos.
Solución
La posición del magnesio en la tabla periódica (grupo 2)(group 2) nos dice que es un metal. Los metales forman iones positivos (cationes). Un átomo de magnesio debe perder dos electrones para tener el mismo número de electrones que un átomo del gas noble anterior, el neón. Por lo tanto, un átomo de magnesio formará un catión con dos electrones menos que protones y una carga de 2+. El símbolo para el ion es Mg2 +, y se llama ion de magnesio.
La posición del nitrógeno en la tabla periódica (grupo 15)(group 15) revela que es un no metal. Los no metales forman iones negativos (aniones). Un átomo de nitrógeno debe ganar tres electrones para tener el mismo número de electrones que un átomo del siguiente gas noble, neón. Así, un átomo de nitrógeno formará un anión con tres electrones más que protones y una carga de 3−. El símbolo para el ion es N3−, y se llama ion nitruro.
Ejercico \(\PageIndex{2}\)
El aluminio y el carbono reaccionan para formar un compuesto iónico. Prediga qué forma un anión, que forma un catión, y las cargas de cada ion. Escriba el símbolo para cada ion y nómbralos.
- Respuesta
-
Al formará un catión con una carga de 3+: Al 3+ , un ion de aluminio. El carbono formará un anión con una carga de 4−: C 4− , un ion de carburo.
Los iones que hemos analizado hasta ahora se llaman iones monoatómicos, es decir, son iones formados de un solo átomo. También encontramos muchos iones poliatómicos. Estos iones, que actúan como unidades discretas, son moléculas cargadas eléctricamente (un grupo de átomos unidos con una carga total). Algunos de los iones poliatómicos más importantes se listan en la Tabla \(\PageIndex{1}\). Los oxianiones son iones poliatómicos que contienen uno o más átomos de oxígeno. En este punto de su estudio de química, debe memorizar los nombres, fórmulas y cargas de los iones poliatómicos más comunes. Debido a que los usarás repetidamente, pronto se familiarizarán.
| Nombre | Fórmula | Ácido relacionado | Fórmula |
|---|---|---|---|
| amonio | \(\ce{NH4+}\) | ||
| hidronio | \(\ce{H_3O^+}\) | ||
| óxido | \(\ce{O^{2-}}\) | ||
| peróxido | \(\ce{O_2^{2-}}\) | ||
| hidróxido | \(\ce{OH^-}\) | ||
| acetato | \(\ce{CH_3COO^-}\) | ácido acético | \(\ce{CH_3COOH}\) |
| cianuro | \(\ce{CN^-}\) | ácido cianhídrico | \(\ce{HCN}\) |
| azida | \(\ce{N_3^-}\) | ácido hidrazoico | \(\ce{HN_3}\) |
| carbonato | \(\ce{CO_3^{2-}}\) | ácido carbónico | \(\ce{H_2CO_3}\) |
| bicarbonato | \(\ce{HCO_3^-}\) | ||
| nitrato | \(\ce{NO_3^-}\) | ácido nítrico | \(\ce{HNO_3}\) |
| nitrito | \(\ce{NO_2^-}\) | ácido nitroso | \(\ce{HNO_2}\) |
| sulfato | \(\ce{SO_4^{2-}}\) | ácido sulfúrico | \(\ce{H_2SO_4}\) |
| sulfato de hidrógeno | \(\ce{HSO_4^-}\) | ||
| sulfito | \(\ce{SO_3^{2-}}\) | ácido sulfúrico | \(\ce{H_2SO_3}\) |
| sulfito de hidrógeno | \(\ce{HSO_3^-}\) | ||
| fosfato | \(\ce{PO_4^{3-}}\) | ácido fosfórico | \(\ce{H_3PO_4}\) |
| fosfato de hidrógeno | \(\ce{HPO_4^{2-}}\) | ||
| dihidrogenofosfato | \(\ce{H_2PO_4^-}\) | ||
| perclorato | \(\ce{ClO_4^-}\) | ácido perclórico | \(\ce{HClO_4}\) |
| clorato | \(\ce{ClO_3^-}\) | ácido clorico | \(\ce{HClO_3}\) |
| clorita | \(\ce{ClO_2^-}\) | ácido cloroso | \(\ce{HClO_2}\) |
| hipoclorito | \(\ce{ClO^-}\) | ácido hipocloroso | \(\ce{HClO}\) |
| cromar | \(\ce{CrO_4^{2-}}\) | acido cromico | \(\ce{H_2CrO_4}\) |
| dicromato | \(\ce{Cr_2O_7^{2-}}\) | ácido dicrómico | \(\ce{H_2Cr_2O7}\) |
| permanganato | \(\ce{MnO_4^-}\) | ácido permangánico | \(\ce{HMnO_4}\) |
Tenga en cuenta que existe un sistema para nombrar algunos iones poliatómicos; -ate y -ite son sufijos que designan iones poliatómicos que contienen más átomos de oxígeno o menos átomos de oxígeno. Per- (abreviatura de "hiper") e hipo (que significa "debajo de") son prefijos que significan más átomos de oxígeno que -tato y menos átomos de oxígeno que -ite, respectivamente. Por ejemplo, el perclorato es \(\ce{ClO4-}\), el clorato es \(\ce{ClO3-}\), el clorito es \(\ce{ClO2-}\) y el hipoclorito es ClO−. Desafortunadamente, el número de átomos de oxígeno correspondientes a un sufijo o prefijo dado no es consistente; por ejemplo, el nitrato es \(\ce{NO3-}\) mientras que el sulfato es \(\ce{SO4^{2-}}\). Esto se cubrirá con más detalle en el siguiente módulo sobre nomenclatura.
La naturaleza de las fuerzas atractivas que mantienen los átomos o iones unidos dentro de un compuesto es la base para clasificar los enlaces químicos. Cuando se transfieren electrones y se forman iones, se producen enlaces iónicos. Los enlaces iónicos son fuerzas electrostáticas de atracción, es decir, las fuerzas atractivas 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 atractivas entre los núcleos cargados positivamente de los átomos unidos y uno o más pares de electrones que se encuentran entre los átomos. Los compuestos se clasifican como iónicos o moleculares (covalentes) basado de los enlaces presentes en ellos.
Los compuestos iónicos
Cuando un elemento compuesto de átomos que pierde electrones fácilmente (un metal) reacciona con un elemento compuesto de átomos que gana electrones fácilmente (un no metal), generalmente ocurre una transferencia de electrones, esta transferencia produce iones. El compuesto formado por esta transferencia se estabiliza por 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 metal de sodio (grupo 1) entrega un electrón para formar un catión de sodio, Na + , y cada átomo de cloro en una muestra de gas de cloro (grupo 17) acepta un electrón para formar un cloruro el anión, Cl − , el compuesto resultante, NaCl, se compone de iones de sodio e iones de cloruro en la relación de un ion de Na + para cada ion de Cl − . De manera similar, cada átomo de calcio (grupo 2) puede dar dos electrones y transferir uno a cada uno de los dos átomos de cloro para formar CaCl 2 , que está compuesto de iones Ca 2+ y Cl − en la relación de un ion Ca 2+ a dos iones Cl − .
Un compuesto que contiene iones y se mantiene unido por enlaces iónicos se llama un 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, casi siempre el compuesto es iónico. Esta guía funciona bien para predecir la formación de compuestos iónicos para la mayoría de los compuestos que se encuentran típicamente en un curso de química introductoria. Sin embargo, no siempre es cierto (por ejemplo, el cloruro de aluminio, AlCl 3 , no es iónico).
A veces se pueden reconocer compuestos iónicos por sus propiedades. Los compuestos iónicos son sólidos que normalmente se derriten a altas temperaturas y hierven a temperaturas aún más altas. Por ejemplo, el cloruro de sodio se derrite a 801 ° C y hierve a 1413 ° C. (Como comparación, el agua del compuesto molecular se derrite a 0 ° C y hierve a 100 ° C). En forma sólida, un compuesto iónico no es eléctricamente conductor porque sus iones no pueden fluir ("electricidad" es el flujo de partículas con carga ). Sin embargo, cuando está derretido, puede conducir electricidad porque sus iones son capaces de moverse libremente a través del líquido (Figura \(\PageIndex{3}\)).
En cada compuesto iónico, el número total de cargas positivas de los cationes es igual al número total de cargas negativas de los aniones. Por lo tanto, los compuestos iónicos son eléctricamente neutros en general, aunque contienen iones positivos y negativos. Podemos usar esta observación para ayudarnos a escribir la fórmula de un compuesto iónico. La fórmula de un compuesto iónico debe tener una proporción de iones para que los números de cargas positivas y negativas sean iguales.
Ejemplo \(\PageIndex{3}\): PREDICCIÓN DE LA FÓRMULA DE UN COMPUESTO IÓNICO
La piedra preciosa de zafiro (Figura \(\PageIndex{4}\)) es principalmente un compuesto de aluminio y oxígeno que contiene cationes de aluminio, Al 3+ y aniones de oxígeno, O 2− . ¿Cuál es la fórmula de este compuesto?
Solución Debido a que 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 Al 2 O 3
Ejercicio \(\PageIndex{3}\)
Prediga la fórmula del compuesto iónico formado entre el catión sodio, Na + y el anión sulfuro, S 2− .
- Respuesta
-
Na 2 S
Muchos compuestos iónicos contienen iones poliatómicos (Tabla \(\PageIndex{1}\)) como el catión, el anión o ambos. Al igual que con los compuestos iónicos simples, estos compuestos también deben ser eléctricamente neutros, por eso sus fórmulas se pueden predecir tratando los iones poliatómicos como unidades discretas. Usamos paréntesis en una fórmula para indicar un grupo de átomos que se comportan como una unidad. Por ejemplo, la fórmula para el fosfato de calcio, uno de los minerales en nuestros huesos, es Ca 3 (PO 4 ) 2 . Esta fórmula indica que hay tres iones de calcio (Ca 2+ ) por cada dos grupos de fosfato \(\left(\ce{PO4^{3-}}\right)\). Los grupos \(\ce{PO4^{3-}} \) son unidades discretas, cada una de las cuales tiene un átomo de fósforo y cuatro átomos de oxígeno, y tiene una carga total de 3−. El compuesto es eléctricamente neutro y su fórmula muestra un total de tres átomos de Ca, dos P y ocho O.
Ejemplo \(\PageIndex{4}\): PREDICCIÓN DE LA FÓRMULA DE UN COMPUESTO CON UN ANIÓN POLIATÓMICO
El polvo de hornear contiene dihidrógeno fosfato de calcio, un compuesto iónico compuesto por los iones Ca 2+ y \(\ce{H2PO4-}\). ¿Cuál es la fórmula de este compuesto?
Solución
Las cargas positivas y negativas deben equilibrarse, y este compuesto iónico debe ser eléctricamente neutro. Por eso, debemos tener dos cargas negativas para equilibrar la carga 2+ del ion calcio. Esto requiere una relación de un ion Ca 2+ a dos iones \(\ce{H2PO4-}\). Designamos esto con encerrando la fórmula para el ion fosfato de dihidrógeno entre paréntesis y agregando un subíndice de 2. La fórmula es Ca(H 2 PO 4 ) 2 .
Ejercicio \(\PageIndex{4}\)
Prediga la fórmula del compuesto iónico formado entre el ion litio y el ion peróxido, \(\ce{O2^2-}\) (Sugerencia: use la tabla periódica para predecir el signo y la carga en el ion litio).
- Respuesta
-
Li 2 O 2
Debido a que un compuesto iónico no está formado por moléculas individuales y discretas, es posible que no se simbolice correctamente usando una fórmula molecular. En cambio, los compuestos iónicos deben estar simbolizados por una fórmula que indique los números relativos de sus iones constituyentes. Para compuestos que contienen solo iones monoatómicos (como NaCl) y para muchos compuestos que contienen iones poliatómicos (como CaSO 4 ), estas fórmulas son sólo las fórmulas empíricas introducidas anteriormente en este capítulo. Sin embargo, las fórmulas para algunos compuestos iónicos que contienen iones poliatómicos no son fórmulas empíricas. Por ejemplo, el compuesto iónico oxalato de sodio se compone de iones Na + y \(\ce{C2O4^2-}\) combinados en una relación 2:1, y su fórmula se escribe como Na 2 C 2 O 4 . Los subíndices de esta fórmula no son los números enteros más pequeños posibles, ya que cada uno puede dividirse por 2 para obtener la fórmula empírica, NaCO 2 . Sin embargo, esta no es la fórmula aceptada para el oxalato de sodio, ya que no representa con precisión el anión poliatómico del compuesto, \(\ce{C2O4^2-}\).
Los compuestos moleculares
Muchos compuestos no tienen iones, sino que consisten únicamente en moléculas discretas y neutrales. Estos compuestos moleculares (compuestos covalentes) se producen cuando los átomos comparten, en lugar de transferir (ganar o perder), electrones. La unión covalente es un concepto importante y extenso en química, y se tratará con gran detalle en un capítulo que sigue en este texto. A veces podemos identificar compuestos moleculares sobre la base de sus propiedades físicas. En condiciones normales, los compuestos moleculares a menudo existen 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 generalmente se forman cuando un metal y un no metal se combinan, los compuestos covalentes se forman generalmente por una combinación de no metales. La tabla periódica nos puede ayudar a reconocer muchos de los compuestos que son covalentes. Mientras podemos usar las posiciones de los elementos de un compuesto en la tabla periódica para predecir si es iónico o covalente en este punto de nuestro estudio de química, debe tener en cuenta que este es un enfoque muy simplista que no tiene en cuenta una serie de excepciones interesantes. Áreas desconocidas existen entre los compuestos iónicos y moleculares, y aprenderá más sobre ellos más adelante.
Ejemplo \(\PageIndex{5}\): PREDICCIÓN DEL TIPO DE ENLACE EN COMPUESTOS
Prediga si los siguientes compuestos son iónicos o moleculares
a. KI, el compuesto utilizado como fuente de yodo en la sal de mesa.
b. H 2 O 2 , el blanqueador y el desinfectante peróxido de hidrógeno.
c. CHCl 3 , el cloroformo anestésico.
d. Li 2 CO 3 , una fuente de litio en los antidepresivos.
Solución
a. El potasio (grupo 1) es un metal, y el yodo (grupo 17) es un no metal; se predice que KI es iónico.
b. El hidrógeno (grupo 1) es un no metal, y el oxígeno (grupo 16) es un no metal; se predice que el H 2 O 2 es molecular.
c. El carbono (grupo 14) es un no metal, el hidrógeno (grupo 1) es un no metal y el cloro (grupo 17) es un no metal; se predice que CHCl 3 es molecular.
d. El litio (grupo 1) es un metal, y el carbonato es un ion poliatómico; se predice que Li 2 CO 3 es iónico.
Ejercicio \(\PageIndex{5}\)
Usando la tabla periódica, prediga si los siguientes compuestos son iónicos o covalentes:
- SO 2
- CaF 2
- N 2 H 4
- Al 2 (SO 4 ) 3
- Respuesta a
-
molecular
- Respuesta b
-
iónico
- Respuesta c
-
molecular
- Respuesta d
-
iónico
Resumen
Los metales (particularmente los de los grupos 1 y 2) tienden a perder la cantidad de electrones que los dejarían con la misma cantidad de electrones que en el gas noble anterior en la tabla periódica. Por este medio, se forma un ion con carga positiva. De manera similar, los no metales (especialmente los de los grupos 16 y 17, y a veces los del Grupo 15) pueden obtener el número de electrones necesarios para proporcionar átomos con el mismo número de electrones que en el próximo gas noble en la tabla periódica. Así, los no metales tienden a formar iones negativos. Los iones con carga positiva se llaman cationes, y los iones cargados negativamente se llaman aniones. Los iones pueden ser monoatómicos (contienen solo un átomo) o poliatómicos (que contienen más de un átomo).
Los compuestos que contienen iones se llaman compuestos iónicos. Los compuestos iónicos generalmente se forman de metales y no metales. Los compuestos que no contienen iones, sino que consisten en átomos unidos firmemente en moléculas (grupos de átomos no cargados que se comportan como una sola unidad), se llaman compuestos covalentes. Los compuestos covalentes generalmente se forman de dos o más no metales.
Glosario
- enlace covalente
- Fuerza atractiva entre los núcleos de los átomos de una molécula y pares de electrones entre los átomos.
- compuesto covalente
- (también, compuesto molecular) Compuesto de moléculas formadas por átomos de dos o más elementos diferentes.
- enlace iónico
- Fuerzas electrostáticas de atracción entre los iones con carga opuesta de un compuesto iónico.
- compuesto iónico
- Compuesto conteniendo cationes y aniones combinados en proporciones, produciendo una sustancia eléctricamente neutral.
- compuesto molecular
- (también, compuesto covalente) compuesto de moléculas formadas por átomos de dos o más elementos diferentes
- ion monoatómico
- Ion compuesto de un solo átomo.
- ión poliatómico
- Ion compuesto de más de un átomo.
- oxianión
- Anión poliatómico compuesto por un átomo central unido por átomos de oxígeno.
Contribuyentes
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Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110) ."
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Ana Martinez ( amartinez02@saintmarys.edu ) contribuyó a la traducción de este texto.