7.1: Unión Iónica

Objetivos de aprendizaje

• Explicar la formación de cationes, aniones y compuestos iónicos
• Predecir la carga de elementos metálicos y no metálicos comunes y escribir sus configuraciones electrónicas

Como has aprendido, los iones son átomos o moléculas que llevan una carga eléctrica. Un catión (un ion positivo) se forma cuando un átomo neutro pierde uno o más electrones de su capa de valencia, y un anión (un ion negativo) se forma cuando un átomo neutro gana uno o más electrones en su capa de valencia.

Los compuestos compuestos por iones se denominan compuestos iónicos (o sales), y sus iones constituyentes se mantienen unidos por enlaces iónicos: fuerzas electrostáticas de atracción entre cationes y aniones con carga opuesta. Las propiedades de los compuestos iónicos arrojan algo de luz sobre la naturaleza de los enlaces iónicos. Los sólidos iónicos presentan una estructura cristalina y tienden a ser rígidos y quebradizos; también tienden a tener altos puntos de fusión y ebullición, lo que sugiere que los enlaces iónicos son muy fuertes. Los sólidos iónicos también son malos conductores de electricidad por la misma razón: la fuerza de los enlaces iónicos evita que los iones se muevan libremente en estado sólido. La mayoría de los sólidos iónicos, sin embargo, se disuelven fácilmente en agua. Una vez disueltos o fundidos, los compuestos iónicos son excelentes conductores de electricidad y calor porque los iones pueden moverse libremente.

Los átomos neutros y sus iones asociados tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes. Los átomos de sodio forman el metal de sodio, un metal blando de color blanco plateado que se quema vigorosamente en el aire y reacciona explosivamente con el agua. Los átomos de cloro forman gas cloro, Cl ₂, un gas amarillo-verde que es extremadamente corrosivo para la mayoría de los metales y muy venenoso para animales y plantas. La reacción vigorosa entre los elementos sodio y cloro forma el compuesto blanco cristalino cloruro de sodio, sal de mesa común, que contiene cationes de sodio y aniones cloruro (Figura Figura\(\PageIndex{1}\)). El compuesto compuesto por estos iones exhibe propiedades completamente diferentes de las propiedades de los elementos sodio y cloro. El cloro es venenoso, pero el cloruro de sodio es esencial para la vida; los átomos de sodio reaccionan vigorosamente con el agua, pero el cloruro de sodio simplemente se disuelve en agua.

Figura\(\PageIndex{1}\): (a) El sodio es un metal blando que debe almacenarse en aceite mineral para evitar la reacción con el aire o el agua. b) El cloro es un gas amarillo verdoso pálido. (c) Cuando se combinan, forman cristales blancos de cloruro de sodio (sal de mesa). (crédito a: modificación de obra por “Jurii” /Wikimedia Commons)

La Formación de Compuestos Iónicos

Los compuestos iónicos binarios están compuestos por solo dos elementos: un metal (que forma los cationes) y un no metal (que forma los aniones). Por ejemplo, el NaCl es un compuesto iónico binario. Podemos pensar en la formación de tales compuestos en términos de las propiedades periódicas de los elementos. Muchos elementos metálicos tienen potenciales de ionización relativamente bajos y pierden electrones fácilmente. Estos elementos se encuentran a la izquierda en un punto o cerca de la parte inferior de un grupo en la tabla periódica. Los átomos no metálicos tienen afinidades electrónicas relativamente altas y, por lo tanto, ganan fácilmente electrones perdidos por átomos metálicos, llenando así sus capas de valencia. Los elementos no metálicos se encuentran en la esquina superior derecha de la tabla periódica.

Como todas las sustancias deben ser eléctricamente neutras, el número total de cargas positivas en los cationes de un compuesto iónico debe ser igual al número total de cargas negativas sobre sus aniones. La fórmula de un compuesto iónico representa la relación más simple de los números de iones necesarios para dar números idénticos de cargas positivas y negativas. Por ejemplo, la fórmula para el óxido de aluminio, Al ₂ O ₃, indica que este compuesto iónico contiene dos cationes de aluminio, Al ^{3 +}, por cada tres aniones óxido, O ²⁻ [así, (2 × +3) + (3 × —2) = 0].

Es importante señalar, sin embargo, que la fórmula para un compuesto iónico no representa la disposición física de sus iones. Es incorrecto referirse a una “molécula” de cloruro de sodio (NaCl) porque no existe un solo enlace iónico, per se, entre ningún par específico de iones sodio y cloruro. Las fuerzas atractivas entre los iones son isotrópicas, lo mismo en todas las direcciones, lo que significa que cualquier ion en particular es igualmente atraído por todos los iones cercanos de carga opuesta. Esto da como resultado que los iones se dispongan en una estructura reticular tridimensional estrechamente unida. El cloruro de sodio, por ejemplo, consiste en un arreglo regular de números iguales de cationes Na ⁺ y aniones Cl ^— (Figura Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): Los átomos en el cloruro de sodio (sal de mesa común) están dispuestos para (a) maximizar las cargas opuestas que interactúan. Las esferas más pequeñas representan iones sodio, las más grandes representan iones cloruro. En la vista expandida (b), la geometría se puede ver más claramente. Tenga en cuenta que cada ion está “unido” a todos los iones circundantes, seis en este caso.

Se muestran dos diagramas y se etiquetan como “a” y “b”. El diagrama a muestra un cubo compuesto por veintisiete esferas alternas de color púrpura y verde. Las esferas moradas son más pequeñas que las verdes. El diagrama b muestra las mismas esferas, pero esta vez, están extendidas y conectadas en tres dimensiones por varillas blancas. Las esferas moradas están etiquetadas como “N signo positivo superíndice” mientras que las verdes están etiquetadas como “C l signo negativo superíndice”.

La fuerte atracción electrostática entre los iones Na ⁺ y Cl ^— los mantiene firmemente unidos en NaCl sólido. Requiere 769 kJ de energía para disociar un mol de NaCl sólido en iones Na ⁺ y Cl ^— gaseosos separados:

\[\ce{NaCl}(s)⟶\ce{Na+}(g)+\ce{Cl-}(g)\hspace{20px}ΔH=\mathrm{769\:kJ} \nonumber \]

Estructuras Electrónicas de Cationes

Al formar un catión, un átomo de un elemento del grupo principal tiende a perder todos sus electrones de valencia, asumiendo así la estructura electrónica del gas noble que lo precede en la tabla periódica. Para los grupos 1 (los metales alcalinos) y 2 (los metales alcalinotérreos), los números de grupo son iguales a los números de electrones de capa de valencia y, en consecuencia, a las cargas de los cationes formados a partir de átomos de estos elementos cuando se eliminan todos los electrones de la capa de valencia. Por ejemplo, el calcio es un elemento del grupo 2 cuyos átomos neutros tienen 20 electrones y una configuración electrónica en estado fundamental de 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶ 4 s ² . Cuando un átomo de Ca pierde sus dos electrones de valencia, el resultado es un catión con 18 electrones, una carga 2+, y una configuración electrónica de 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶. El ion Ca ^{2 +} es por lo tanto isoelectrónico con el gas noble Ar.

Para los grupos 12—17, los números de grupo superan el número de electrones de valencia en 10 (lo que representa la posibilidad de subcapas d completas en átomos de elementos en el cuarto y mayor período). Así, la carga de un catión formado por la pérdida de todos los electrones de valencia es igual al número de grupo menos 10. Por ejemplo, el aluminio (en el grupo 13) forma 3+ iones (Al ^{3 +}).

Las excepciones al comportamiento esperado involucran elementos hacia el fondo de los grupos. Además de los iones esperados Tl ^{3 +}, Sn ^{4 +}, Pb ^{4 +} y Bi ^{5 +}, una pérdida parcial de los electrones de la capa de valencia de estos átomos también puede conducir a la formación de Tl ⁺, Sn ^{2 +} , Pb ^{2 +} y Bi ^{3 +}. La formación de estos cationes 1+, 2+ y 3+ se atribuye al efecto de par inerte, que refleja la energía relativamente baja del par de electrones de valencia para los átomos de los elementos pesados de los grupos 13, 14 y 15. Mercurio (grupo 12) también exhibe un comportamiento inesperado: forma un ion diatómico,\(\ce{Hg_2^2+}\) (un ion formado a partir de dos átomos de mercurio, con un enlace Hg-Hg), además del ion monatómico esperado Hg ^{2 +} (formado a partir de un solo átomo de mercurio).

Los elementos de transición e interiores de metal de transición se comportan de manera diferente a los elementos La mayoría de los cationes de metales de transición tienen 2+ o 3+ cargas que resultan de la pérdida de su (s) electrón (s) más externo (s) primero, a veces seguido por la pérdida de uno o dos electrones d de la capa próxima a la más externa. Por ejemplo, el hierro (1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶ 3 d ⁶ 4 s ²) forma el ion Fe ^{2 +} (1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶ 3 d ⁶) por la pérdida de los electrones de 4 s y el ion Fe ^{3 +} (1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶ 3 d ⁵) por la pérdida de los electrones de 4 s y uno de los electrones de 3 d. Aunque los orbitales d de los elementos de transición son —según el principio de Aufbau— los últimos en llenarse al construir configuraciones electrónicas, los electrones s más externos son los primeros en perderse cuando estos átomos se ionizan. Cuando los metales de transición internos forman iones, suelen tener una carga 3+, resultante de la pérdida de sus electrones s más externos y un electrón d o f.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Determining the Electronic Structures of Cations

Existen al menos 14 elementos categorizados como “oligoelementos esenciales” para el cuerpo humano. Se les llama “esenciales” porque son requeridos para funciones corporales saludables, “traza” porque solo se requieren en pequeñas cantidades, y “elementos” a pesar de que realmente son iones. Dos de estos oligoelementos esenciales, cromo y zinc, se requieren como Cr ^{3 +} y Zn ^{2 +}. Escribe las configuraciones electrónicas de estos cationes.

Solución

Primero, escribe la configuración electrónica para los átomos neutros:

• Zn: [Ar] 3 d ¹⁰ 4 s ²
• Cr: [Ar] 3 d ⁵ 4 s ¹

A continuación, eliminar los electrones del orbital de mayor energía. Para los metales de transición, los electrones se eliminan primero del orbital s y luego del orbital d. Para los elementos del bloque p, los electrones se eliminan de los orbitales p y luego del orbital s. El zinc es miembro del grupo 12, por lo que debe tener una carga de 2+, y así pierde solo los dos electrones en su s orbital. El cromo es un elemento de transición y debe perder sus electrones s y luego sus electrones d cuando se forma un catión. Así, encontramos las siguientes configuraciones de electrones de los iones:

• Zn ^{2 +}: [Ar] 3 d ¹⁰
• Cr ^{3 +}: [Ar] 3 d ³

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Potasio y magnesio son requeridos en nuestra dieta. Escribir las configuraciones electrónicas de los iones esperados de estos elementos.

Contestar

K ⁺: [Ar], Mg ^{2 +}: [Ne]

 

Estructuras Electrónicas de Aniones

La mayoría de los aniones monatómicos se forman cuando un átomo neutro no metálico gana suficientes electrones para llenar completamente sus orbitales s y p externos, alcanzando así la configuración electrónica del siguiente gas noble. Así, es sencillo determinar la carga sobre dicho ion negativo: La carga es igual al número de electrones que se deben ganar para llenar los orbitales s y p del átomo padre. El oxígeno, por ejemplo, tiene la configuración electrónica 1 s ² 2 s ² p ⁴, mientras que el anión oxígeno tiene la configuración electrónica del gas noble neón (Ne), 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶. Los dos electrones adicionales requeridos para llenar los orbitales de valencia dan al ion óxido la carga de 2— (O ^2—).

Ejemplo\(\PageIndex{2}\): Determining the Electronic Structure of Anions

El selenio y el yodo son dos oligoelementos esenciales que forman aniones. Escribe las configuraciones electrónicas de los aniones.

Solución

Se ^{2 —}: [Ar] 3 d ¹⁰ 4 s ² 4 p ⁶

I ^—: [Kr] 4 d ¹⁰ 5 s ² 5 p ⁶

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Escribe las configuraciones electrónicas de un átomo de fósforo y su ión negativo. Dar la carga sobre el anión.

Contestar

P: [Ne] 3 s ² 3 p ³

P ^3—: [Ne] 3 s ² 3 p ⁶

 

Resumen

Los átomos ganan o pierden electrones para formar iones con configuraciones de electrones particularmente estables. Las cargas de cationes formados por los metales representativos pueden determinarse fácilmente porque, con pocas excepciones, las estructuras electrónicas de estos iones tienen una configuración de gas noble o una capa de electrones completamente llena. Las cargas de aniones formados por los no metales también pueden determinarse fácilmente porque estos iones se forman cuando los átomos no metálicos ganan suficientes electrones para llenar sus cáscaras de valencia.

Glosario

efecto par inerte

tendencia de los átomos pesados a formar iones en los que no se pierden sus electrones de valencia

enlace iónico

fuerte fuerza electrostática de atracción entre cationes y aniones en un compuesto iónico