1.5: Estados de unión de elementos

Los compuestos orgánicos son compuestos moleculares que contienen principalmente átomos de carbono e hidrógeno. Dado que la química inorgánica se ocupa de todos los compuestos que no sean orgánicos, el alcance de la química inorgánica es vasto. En consecuencia, tenemos que estudiar las síntesis, estructuras, uniones, reacciones y propiedades físicas de elementos, compuestos moleculares y compuestos en estado sólido de 103 elementos. En los últimos años, las estructuras de los compuestos cristalinos se han determinado comparativamente fácilmente mediante el uso de análisis estructural de rayos X monocristalino, y mediante el uso de difractómetros automáticos. Este avance ha dado como resultado el rápido desarrollo de nuevas áreas de la química inorgánica que antes eran inaccesibles. La investigación sobre compuestos de dimensiones superiores, como complejos multinucleares, compuestos de conglomerados y compuestos inorgánicos de estado sólido en los que muchos átomos metálicos y ligandos están unidos de manera compleja, se está volviendo mucho más fácil. En esta sección se encuestarán áreas de investigación en química inorgánica a partir de la clasificación de los modos de unión de materiales inorgánicos.

Elemento

Las sustancias elementales existen en diversas formas. Por ejemplo, el helio y otros elementos de gas raros existen como moléculas de un solo átomo; hidrógeno, oxígeno y nitrógeno como moléculas de dos átomos; carbono, fósforo y azufre como varios alótropos sólidos; y sodio, oro, etc. como metales a granel. Una sustancia simple de un elemento metálico generalmente se llama metal a granel, y la palabra “metal” puede usarse para significar un metal a granel y “átomo de metal o ion metálico” define el estado donde cada partícula es discreta. Si bien las sustancias elementales parecen simples porque consisten en un solo tipo de elemento, rara vez se producen en formas puras en la naturaleza. Incluso después del descubrimiento de nuevos elementos, su aislamiento a menudo presenta dificultades. Por ejemplo, dado que la fabricación de silicio de ultra alta pureza se está volviendo muy importante en la ciencia se han desarrollado procesos de purificación en los últimos años.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Dar ejemplos de alótropos.

Responder

• Carbono: grafito, diamante.
• Fósforo: fósforo blanco, fósforo rojo.

Compuestos moleculares

Los compuestos inorgánicos de elementos no metálicos, como el dióxido de carbono gaseoso CO ₂, el ácido sulfúrico líquido H ₂ SO ₄ o el pentóxido de fósforo sólido P ₂ O ₅, satisfacen los requisitos de valencia de los átomos componentes y forman moléculas discretas que no son unidos entre sí. Los compuestos de metales del grupo principal como tetracloruro de estaño líquido SnCl ₄ y tricloruro de aluminio sólido AlCl ₃ tienen pesos moleculares definidos y no forman polímeros infinitos.

La mayoría de los compuestos moleculares de los metales de transición son complejos metálicos y compuestos organometálicos en los que los ligandos se coordinan con los metales. Estos compuestos moleculares incluyen no solo complejos mononucleares con un centro metálico sino también complejos multinucleares que contienen varios metales, o complejos de conglomerados que tienen enlaces metal-metal. El número de nuevos compuestos con una variedad de enlaces y tipos de estructura está aumentando muy rápidamente, y representan un campo de estudio importante en la química inorgánica actual (ver Capítulo 6).

Compuestos en estado sólido

Aunque los compuestos inorgánicos en estado sólido son moléculas enormes, es preferible definirlos como compuestos por una secuencia infinita de matrices de elementos unidimensionales (cadena), bidimensionales (capas) o tridimensionales y como que no tienen un peso molecular definido. Los elementos componentes de un sólido inorgánico se unen entre sí por medio de enlaces iónicos, covalentes o metálicos para formar una estructura sólida. Un enlace iónico es uno entre elementos electrónicamente positivos (metales alcalinos, etc.) y negativos (halógeno, etc.), y se forma un enlace covalente entre elementos con electronegatividades cercanas. Sin embargo, en muchos compuestos hay contribución tanto de enlaces iónicos como covalentes (ver Sección 2.1 sobre enlaces).

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

Dar ejemplos de compuestos inorgánicos en estado sólido.

Responder

• Cloruro de sodio NaCl
• Dióxido de silicio, SiO ₂
• Disulfuro de molibdeno, MoS ₂

El primer paso en la identificación de un compuesto es conocer su composición elemental. A diferencia de un compuesto orgánico, a veces es difícil decidir la fórmula empírica de un compuesto inorgánico en estado sólido a partir de análisis elementales y determinar su estructura combinando información de espectros. Los compuestos con composiciones similares pueden tener diferentes números de coordinación alrededor de un elemento central y diferentes dimensiones estructurales. Por ejemplo, en el caso de yoduros metálicos binarios (consistentes en dos tipos de elementos), yoduro de oro, AuI, tiene una estructura en forma de cadena, yoduro de cobre, CuI, una estructura tipo blenda de zinc, yoduro de sodio, NaI, tiene una estructura de cloruro de sodio, y yoduro de cesio, CSi, tiene una estructura de cloruro de cesio (consulte Sección 2.2 (e)), y los átomos metálicos están unidos a 2, 4, 6 u 8 átomos de yodo, respectivamente. La unidad mínima de repetición de una estructura sólida se denomina celosía unitaria y es la información más fundamental en la química estructural de los cristales. La difracción de rayos X y neutrones son los métodos experimentales más potentes para determinar una estructura cristalina, y los enlaces entre los átomos solo pueden dilucidarse usándolos. El polimorfismo es el fenómeno en el que se obtienen diferentes tipos de cristales de un compuesto en estado sólido en los que las disposiciones atómicas no son las mismas. Los cambios entre diferentes fases polimorfas con variaciones de temperatura y/o presión, o transiciones de fase, son un problema interesante e importante en la química o física del estado sólido.

Debemos tener en cuenta que en la química inorgánica en estado sólido la composición elemental de un compuesto no son necesariamente enteros. Existen extensos grupos de compuestos, llamados compuestos no estequiométricos, en los que las proporciones de elementos son no enteros, y estos compuestos no estequiométricos muestran característicamente conductividad, magnetismo, naturaleza catalítica, color y otras propiedades únicas en estado sólido. Por lo tanto, incluso si un compuesto inorgánico exhibe estequiometría no integral, a diferencia de un compuesto orgánico, el compuesto puede ser un compuesto ortodoxo termodinámicamente estable. Este tipo de compuesto se denomina compuesto no estequiométrico o compuesto de bertollida, mientras que un compuesto estequiométrico se denomina compuesto de Daltonida. La ley de la composición constante ha gozado de tanto éxito que existe una tendencia a descuidar los compuestos no estequiométricos. Debemos señalar que los grupos de compuestos en los que hay cambios leves y continuos de la composición de los elementos no son raros.

Problema 1.1

Exprese los isótopos de hidrógeno, carbono y oxígeno usando los símbolos de los elementos con números atómicos y másicos y escriba el número de protones, neutrones y electrones entre paréntesis.

Elementos superpesados

El último elemento de la tabla periódica ordinaria es un elemento actinoide, Lr, (Z = 103). Sin embargo, los elementos (Z = 104 — 109) “ya se han sintetizado” en reacciones de iones pesados utilizando aceleradores nucleares. Se trata de elementos 6d que se encuentran bajo los elementos de transición 5d de hafnio, Hf, a iridio, Ir, y es probable que sus estructuras electrónicas y propiedades químicas sean similares. De hecho, sólo se ha confirmado la existencia de nucleidos con vidas muy cortas. El problema de nombrar a los elementos súper pesados es que los países de sus descubridores, Estados Unidos, Rusia y Alemania, han propuesto diferentes nombres. Los nombres tentativos de estos elementos son: unnilquadium Une (Z = 104), unnilpentium Unp (Z = 105), unnilhexium Unh (Z = 106), unnilseptium Unq (Z = 107), unniloctium Uno (Z = 108) y unnilenio Une (Z = 108). Recientemente se ha establecido que se les nombre: Rutherfordium ₁₀₄ Rf, Dubnium ₁₀₅ Db, Seaborgium ₁₀₆ Sg, Bohrium ₁₀₇ Bh, Hassium ₁₀₈ Hs, y Meitnerium ₁₀₉ Mt.

La “síntesis” del elemento (Z = 110), que debería quedar bajo el platino, se consideró el límite técnico, pero hay un reporte reciente de que incluso el elemento (Z = 112) “fue sintetizado”. En cualquier caso, los elementos superpesados se acabarán en breve. Es natural que las complicaciones sean causadas por nombrar a un nuevo elemento un científico para que tenga un nuevo elemento llamado así por él o ella.