2.6: Compuestos moleculares e iónicos

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Objetivos de aprendizaje

Definir compuestos iónicos y moleculares (covalentes)
Predecir el tipo de compuesto formado a partir de elementos en función de su ubicación dentro de la tabla periódica
Determinar fórmulas para compuestos iónicos simples

En las reacciones químicas ordinarias, el núcleo de cada átomo (y así la identidad del elemento) permanece inalterado. Los electrones, sin embargo, pueden agregarse a los átomos por transferencia de otros átomos, perderse por transferencia a otros átomos, o compartirse con otros átomos. La transferencia y distribución de electrones entre 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\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Un átomo de sodio (Na) tiene igual número de protones y electrones (11) y está sin carga. (b) Un catión de sodio (Na ⁺) ha perdido un electrón, por lo que tiene un protón más (11) que electrones (10), dándole una carga positiva general, significada por un signo más superíndice.

Puedes usar la tabla periódica para predecir si un átomo formará un anión o un catión, y a menudo puedes predecir la carga del ion resultante. Los átomos de muchos metales del grupo principal pierden suficientes electrones como para dejarlos con el mismo número 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 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, pierde fácilmente dos electrones. Esto da como resultado un catión con 20 protones, 18 electrones y una carga 2+. Tiene el mismo número de electrones que los átomos del gas noble anterior, el argón, y está simbolizado Ca ² ⁺. El nombre de un ion metálico es el mismo que el nombre del átomo metálico del que se forma, por lo que Ca ² ⁺ se llama ion calcio.

Cuando los átomos de elementos no metálicos forman iones, generalmente ganan suficientes electrones para darles el mismo número de electrones que un átomo del siguiente 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 neutro de bromo, con 35 protones y 35 electrones, puede ganar un electrón para proporcionarle 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 kriptón, y está simbolizado Br ⁻. (En un capítulo posterior de este texto se proporciona una discusión sobre la teoría que apoya el estado favorecido de los números de electrones de gas noble reflejados en estas reglas predictivas para la formación de iones).

Obsérvese la utilidad de la tabla periódica para predecir la formación y carga probables de iones (Figura\(\PageIndex{2}\)). Al pasar del extremo izquierdo a la derecha en la tabla periódica, los elementos del grupo principal tienden a formar cationes con una carga igual al número de grupo. Es decir, los elementos del grupo 1 forman 1+ iones; los elementos del grupo 2 forman 2+ iones, y así sucesivamente. Al pasar del extremo derecho a la izquierda en la tabla periódica, los elementos a menudo forman aniones con una carga negativa igual al número de grupos movidos a la izquierda de los gases nobles. Por ejemplo, los elementos del grupo 17 (un grupo a la izquierda de los gases nobles) forman iones 1−; los elementos del grupo 16 (dos grupos a la izquierda) forman iones 2−, y así sucesivamente. Esta tendencia puede ser utilizada como guía en muchos casos, pero su valor predictivo disminuye cuando se mueve hacia el centro de la tabla periódica. De hecho, los metales de transición y algunos otros metales a menudo presentan cargas variables que no son predecibles por su ubicación en la tabla. Por ejemplo, el cobre puede formar iones con una carga 1+ o 2+, y el hierro puede formar iones con una carga 2+ o 3+.

Figura\(\PageIndex{2}\): Algunos elementos exhiben un patrón regular de carga iónica cuando forman iones.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Composition of Ions

Un ion que se encuentra en algunos compuestos utilizados como antitranspirantes contiene 13 protones y 10 electrones. ¿Cuál es su símbolo?

Solución

Debido a que el número de protones permanece sin cambios cuando un átomo forma un ion, el número atómico del elemento debe ser 13. Saber esto nos permite utilizar la tabla periódica para identificar el elemento como Al (aluminio). El átomo de Al ha perdido tres electrones y por lo tanto tiene tres cargas positivas más (13) que electrones (10). Este es el catión aluminio, Al ³ ⁺.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Dar el símbolo y nombre para el ion con 34 protones y 36 electrones.

Contestar: Se ² ⁻, el ion seleniuro

Ejemplo\(\PageIndex{2}\): Formation of Ions

El magnesio y el nitrógeno reaccionan para formar un compuesto iónico. Predecir cuál forma un anión, que forma un catión, y las cargas de cada ion. Escribe el símbolo para cada ion y nombra.

Solución

La posición del magnesio en la tabla periódica (grupo 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. Así, un átomo de magnesio formará un catión con dos electrones menos que los protones y una carga de 2+. El símbolo para el ion es Mg ² ⁺, y se llama ion magnesio.

La posición del nitrógeno en la tabla periódica (grupo 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, el 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 N ³⁻, y se llama ion nitruro.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

El aluminio y el carbono reaccionan para formar un compuesto iónico. Predecir cuál forma un anión, que forma un catión, y las cargas de cada ion. Escribe el símbolo para cada ion y nombra.

Contestar: Al formará un catión con una carga de 3+: Al ³ ⁺, un ion aluminio. El carbono formará un anión con una carga de 4−: ^C4−, un ion carburo.

Los iones que hemos discutido hasta ahora se llaman iones monatómicos, es decir, son iones formados a partir 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 global). Algunos de los iones poliatómicos más importantes se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Los oxianiones son iones poliatómicos que contienen uno o más átomos de oxígeno. En este punto de tu estudio de la química, debes memorizar los nombres, fórmulas y cargas de los iones poliatómicos más comunes. Debido a que los usarás repetidamente, pronto se familiarizarán.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Iones poliatómicos comunes
Nombre	Fórmula	Acido 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 sulfuroso	\(\ce{H_2SO_3}\)
sulfito de hidrógeno	\(\ce{HSO_3^-}\)
fosfato	\(\ce{PO_4^{3-}}\)	ácido fosfórico	\(\ce{H_3PO_4}\)
fosfato de hidrógeno	\(\ce{HPO_4^{2-}}\)
fosfato de dihidrógeno	\(\ce{H_2PO_4^-}\)
perclorato	\(\ce{ClO_4^-}\)	ácido perclórico	\(\ce{HClO_4}\)
clorato	\(\ce{ClO_3^-}\)	ácido clórico	\(\ce{HClO_3}\)
clorito	\(\ce{ClO_2^-}\)	ácido cloroso	\(\ce{HClO_2}\)
hipoclorito	\(\ce{ClO^-}\)	ácido hipocloroso	\(\ce{HClO}\)
cromato	\(\ce{CrO_4^{2-}}\)	ácido crómico	\(\ce{H_2CrO_4}\)
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 indican iones poliatómicos que contienen más o menos átomos de oxígeno. Per- (abreviatura de “hiper”) e hipo- (que significa “bajo”) son prefijos que significan más átomos de oxígeno que -ato 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 unidos los átomos o iones dentro de un compuesto es la base para clasificar los enlaces químicos. Cuando se transfieren electrones y se forman iones, resultan enlaces iónicos. Los enlaces iónicos son fuerzas electrostáticas de atracción, es decir, las fuerzas de atracción experimentadas entre objetos de carga eléctrica opuesta (en este caso, cationes y aniones). Cuando los electrones son “compartidos” y las moléculas se forman, resultan enlaces covalentes. Los enlaces covalentes son las fuerzas de atracción 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) sobre la base de los enlaces presentes en ellos.

Compuestos Iónicos

Cuando un elemento compuesto por átomos que pierden fácilmente electrones (un metal) reacciona con un elemento compuesto por átomos que ganan fácilmente electrones (un no metal), generalmente ocurre una transferencia de electrones, produciendo iones. El compuesto formado por esta transferencia es estabilizado 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) cede un electrón para formar un catión de sodio, Na ⁺, y cada átomo de cloro en una muestra de gas cloro (grupo 17) acepta un electrón para formar un anión cloruro, Cl ⁻, el compuesto resultante, NaCl, se compone de iones sodio e iones cloruro en la proporción de un ion Na ⁺ por cada ion Cl ⁻. De manera similar, cada átomo de calcio (grupo 2) puede ceder dos electrones y transferir uno a cada uno de dos átomos de cloro para formar CaCl ₂, el cual está compuesto por iones Ca ² ⁺ y Cl ⁻ en la proporción de un ion Ca ² ⁺ a dos iones Cl ⁻.

Un compuesto que contiene iones y se mantiene unido por enlaces iónicos se llama 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, el compuesto suele ser 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 introductorio de química. Sin embargo, no siempre es cierto (por ejemplo, el cloruro de aluminio, AlCl ₃, no es iónico).

A menudo se pueden reconocer compuestos iónicos por sus propiedades. Los compuestos iónicos son sólidos que normalmente se funden a altas temperaturas y hierven a temperaturas aún más altas. Por ejemplo, el cloruro de sodio se funde a 801 °C y hierve a 1413 °C. (Como comparación, el compuesto molecular agua se funde a 0 °C y hierve a 100 °C). En forma sólida, un compuesto iónico no es eléctricamente conductor porque sus iones son incapaces de fluir (“electricidad” es el flujo de partículas cargadas). Cuando se funde, sin embargo, puede conducir electricidad porque sus iones son capaces de moverse libremente a través del líquido (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): El cloruro de sodio se funde a 801 °C y conduce la electricidad cuando se funde. (crédito: modificación de obra de Mark Blaser y Matt Evans)

En cada compuesto iónico, el número total de cargas positivas de los cationes es igual al número total de cargas negativas de los aniones. Así, los compuestos iónicos son eléctricamente neutros en general, a pesar de que 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 relación de iones tal que los números de cargas positivas y negativas sean iguales.

Ejemplo\(\PageIndex{3}\): Predicting the Formula of an Ionic Compound

La piedra preciosa 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?

Esta es una fotografía de un anillo con un zafiro engarzado en él. — Figura\(\PageIndex{4}\): Aunque el óxido de aluminio puro es incoloro, trazas de hierro y titanio le dan al zafiro azul su color característico. (crédito: modificación de obra de Stanislav Doronenko)

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 óxido, cada uno con una carga de 2−, nos darían seis cargas negativas. La fórmula sería Al ₂ O ₃.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

Predecir la fórmula del compuesto iónico formado entre el catión sodio, Na ⁺, y el anión sulfuro, ^S2-.

Contestar: 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 lo que sus fórmulas pueden predecirse 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 calcio (Ca ² ⁺) por cada dos\(\left(\ce{PO4^{3-}}\right)\) grupos fosfato. Los\(\ce{PO4^{3-}}\) grupos son unidades discretas, cada una compuesta por un átomo de fósforo y cuatro átomos de oxígeno, y con una carga global de 3−. El compuesto es eléctricamente neutro, y su fórmula muestra un recuento total de tres átomos de Ca, dos P y ocho átomos de O.

Ejemplo\(\PageIndex{4}\): Predicting the Formula of a Compound with a Polyatomic Anion

El polvo de hornear contiene dihidrogenofosfato 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. Así, debemos tener dos cargas negativas para equilibrar la carga 2+ del ion calcio. Esto requiere una relación de un ion Ca ² ⁺ a dos\(\ce{H2PO4-}\) iones. Esto lo designamos encerrando la fórmula para el ion dihidrógeno fosfato entre paréntesis y agregando un subíndice 2. La fórmula es Ca (H ₂ PO ₄) ₂.

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

Predecir la fórmula del compuesto iónico formado entre el ión litio y el ion peróxido,\(\ce{O2^2-}\) (Pista: Use la tabla periódica para predecir el signo y la carga en el ión litio.)

Contestar: Li ₂ O ₂

Debido a que un compuesto iónico no está compuesto por moléculas individuales y discretas, puede que no se simbolize adecuadamente usando una fórmula molecular. En cambio, los compuestos iónicos deben ser 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 solo 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 está compuesto por Na ⁺ e\(\ce{C2O4^2-}\) iones combinados en una relación 2:1, y su fórmula está escrita como Na ₂ C ₂ O ₄. Los subíndices en esta fórmula no son los números enteros más pequeños posibles, ya que cada uno puede dividirse por 2 para producir la fórmula empírica, NaCo ₂. Esta no es la fórmula aceptada para el oxalato de sodio, sin embargo, ya que no representa con precisión el anión poliatómico del compuesto,\(\ce{C2O4^2-}\).

Compuestos Moleculares

Muchos compuestos no contienen iones sino que consisten únicamente en moléculas discretas y neutras. Estos compuestos moleculares (compuestos covalentes) resultan cuando los átomos comparten, en lugar de transferir (ganar o perder), electrones. El enlace covalente es un concepto importante y extenso en química, y será tratado con considerable detalle en un capítulo posterior de este texto. A menudo podemos identificar compuestos moleculares en base a sus propiedades físicas. En condiciones normales, los compuestos moleculares suelen existir 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 se combinan un metal y un no metal, los compuestos covalentes generalmente se forman por una combinación de no metales. Así, la tabla periódica puede ayudarnos a reconocer muchos de los compuestos que son covalentes. Si bien 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 la química, debe ser consciente de que este es un enfoque muy simplista que no da cuenta de una serie de excepciones interesantes. Los tonos de gris existen entre los compuestos iónicos y moleculares, y aprenderás más sobre ellos más adelante.

Ejemplo\(\PageIndex{5}\): Predicting the Type of Bonding in Compounds

Predecir si los siguientes compuestos son iónicos o moleculares:

KI, el compuesto utilizado como fuente de yodo en la sal de mesa
H ₂ O ₂, el blanqueador y desinfectante peróxido de hidrógeno
CHCl ₃, el cloroformo anestésico
Li ₂ CO ₃, fuente de litio en antidepresivos

Solución

El potasio (grupo 1) es un metal y el yodo (grupo 17) es un no metal; se prevé que el KI sea iónico.
El hidrógeno (grupo 1) es un no metal, y el oxígeno (grupo 16) es un no metal; se prevé que H ₂ _{O 2} sea molecular.
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.
El litio (grupo 1) es un metal y el carbonato es un ion poliatómico; se predice que Li ₂ CO ₃ es iónico.

Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

Utilizando la tabla periódica, predice si los siguientes compuestos son iónicos o covalentes:

SO ₂
CaF ₂
N ₂ H ₄
Al ₂ (SO ₄) ₃

Contestar 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 el número de electrones que los dejarían con el mismo número de electrones que en el gas noble precedente en la tabla periódica. Por este medio, se forma un ion cargado positivamente. De manera similar, los no metales (especialmente los de los grupos 16 y 17, y, en menor medida, los del Grupo 15) pueden ganar el número de electrones necesarios para proporcionar átomos con el mismo número de electrones que en el siguiente gas noble de la tabla periódica. Así, los no metales tienden a formar iones negativos. Los iones cargados positivamente se llaman cationes, y los iones cargados negativamente se llaman aniones. Los iones pueden ser monatómicos (conteniendo solo un átomo) o poliatómicos (conteniendo más de un átomo).

Los compuestos que contienen iones se denominan compuestos iónicos. Los compuestos iónicos generalmente se forman a partir de metales y no metales. Los compuestos que no contienen iones, sino que consisten en átomos unidos fuertemente entre sí en moléculas (grupos no cargados de átomos que se comportan como una sola unidad), se denominan compuestos covalentes. Los compuestos covalentes generalmente se forman a partir de dos o más no metales.

Glosario

enlace covalente: fuerza de atracción entre los núcleos de los átomos de una molécula y pares de electrones entre los átomos

compuesto covalente: (también, compuesto molecular) compuesto por moléculas formadas por átomos de dos o más elementos diferentes

enlace iónico: fuerzas electrostáticas de atracción entre los iones cargados opuestamente de un compuesto iónico

compuesto iónico: compuesto compuesto por cationes y aniones combinados en proporciones, produciendo una sustancia eléctricamente neutra

compuesto molecular: (también, compuesto covalente) compuesto por moléculas formadas por átomos de dos o más elementos diferentes

ion monatómico: ión compuesto por un solo átomo

ión poliatómico: ión compuesto por más de un átomo

oxianión: anión poliatómico compuesto por un átomo central unido a átomos de oxígeno