2.5: Formación de iones
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Resultados de aprendizaje
- Definir iones, cationes y aniones.
- Reconocer características de iones monoatómicos y poliatómicos.
- Explicar cómo y por qué se forman cationes y aniones.
- Determinar el número de partículas subatómicas en un ión.
- Predecir la carga en iones formados a partir de elementos representativos.
En muchas partes del país, incluyendo partes de Kentucky, el agua contiene altas concentraciones de minerales que manchan la ropa, acumulan depósitos en bañeras y calentadores de agua, y crean problemas con la espuma del jabón adecuadamente. Este problema es causado por lo que se llama “agua dura”. El agua contiene cantidades excesivas de cationes como hierro y calcio.
Iones
Los iones son sustancias cargadas que se han formado a través de la ganancia o pérdida de electrones. Los cationes se forman a partir de la pérdida de electrones y tienen una carga positiva mientras que los aniones se forman a través de la ganancia de electrones y tienen una carga negativa.
Formación de Cationes
Los cationes son los iones positivos formados por la pérdida de uno o más electrones. Los cationes más comúnmente formados de los elementos representativos son aquellos que implican la pérdida de todos los electrones de valencia. Considera el sodio de metal alcalino\(\left( \ce{Na} \right)\). Tiene un electrón de valencia en el nivel\(n=3\) de energía. Al perder ese electrón, el ion sodiu ahora tiene un octeto de electrones del segundo nivel de energía y una carga de\(1+\).
La disposición electrónica del ion sodio es ahora la misma que la del neón de gas noble. Considera un proceso similar con magnesio y aluminio. En este caso, el átomo de magnesio pierde sus dos electrones de valencia para lograr el mismo arreglo que el neón de gas noble y una carga de\(2+\). El átomo de aluminio pierde sus tres electrones de valencia para tener la misma disposición de electrones que el neón y una carga de\(3+\). Para elementos representativos bajo condiciones típicas, tres electrones suele ser el número máximo que será los. Los elementos representativos no perderán electrones más allá de su valencia porque tendrían que “romper” el octeto del nivel de energía anterior lo que proporciona estabilidad al ion.
Aniones
Los aniones son los iones negativos formados a partir de la ganancia de uno o más electrones. Cuando los átomos no metálicos ganan elecciones, a menudo lo hacen hasta que su nivel de energía principal más exterior alcanza un octeto. Para el flúor, que tiene una disposición de electrones de (2, 7), solo necesita ganar un electrón para tener la misma disposición de electrones que el neón. La formación de un octeto (ocho electrones en la capa externa) proporciona estabilidad al átomo. El flúor ganará un electrón y tendrá una carga de\(1-\). La disposición electrónica del ion fluoruro (2, 8) también cambiará para reflejar la ganancia de un electrón.
El oxígeno tiene una disposición de electrones de (2, 6) y necesita ganar dos electrones para llenar el nivel de\(n=2\) energía y lograr un octeto de electrones en la capa más externa. El ion óxido tendrá una carga de\(2-\) como resultado de la obtención de dos electrones. Bajo condiciones típicas, tres electrones es el máximo que se ganará en la formación de aniones.
Partículas Subatómicas en un Ion
Dado que los iones se forman a partir de la ganancia o pérdida de electrones, también podemos observar el número de partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones) que se encuentran en un ion. Recuerde que el número de protones determina la identidad del elemento y no cambiará en un proceso químico.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\)
¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en un solo\(\left( \ce{O^{2-}} \right)\) ion óxido?
Solución
El oxígeno tiene el número atómico 8 por lo que tanto el átomo como el ion tendrán 8 protones. La masa atómica promedio de oxígeno es de 16. Por lo tanto, habrá 8 neutrones\(\left( \text{atomic mass} - \text{atomic number} = \text{neutrons} \right)\). Un átomo de oxígeno neutro tendría 8 electrones. Sin embargo, el anión ha ganado dos electrones por lo que\(\ce{O^{2-}}\) tiene 10 electrones.
También podemos usar información sobre las partículas subatómicas para determinar la identidad de un ión.
Ejemplo\(\PageIndex{2}\)
Un ion con una\(2+\) carga tiene 18 electrones. Determinar la identidad del ion.
Solución
Si un ion tiene una\(2+\) carga entonces debe haber perdido electrones para formar el catión. Si el ion tiene 18 electrones y el átomo perdió 2 para formar el ion, entonces el átomo neutro contenía 20 electrones. Al ser neutral, también debió haber tenido 20 protones. Por lo tanto el elemento es el calcio.
Iones Poliatómicos
Un ion poliatómico es un ion compuesto por dos o más átomos que tienen una carga como grupo (poli = muchos). El ion amonio (ver figura abajo) consiste en un átomo de nitrógeno y cuatro átomos de hidrógeno. Juntos, comprenden un solo ion con una\(1+\) carga y una fórmula de\(\ce{NH_4^+}\). El ion hidróxido (ver figura abajo) contiene un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno con una carga global de\(1-\). El ion carbonato (ver figura abajo) consiste en un átomo de carbono y tres átomos de oxígeno y lleva una carga global de\(2-\). La fórmula del ion carbonato es\(\ce{CO_3^{2-}}\). Los átomos de un ion poliatómico están fuertemente unidos entre sí y así todo el ion se comporta como una sola unidad. Las siguientes figuras muestran varios ejemplos.
La siguiente tabla enumera una serie de iones poliatómicos por nombre y por estructura. El encabezamiento de cada columna indica la carga sobre los iones poliatómicos de ese grupo. Tenga en cuenta que la gran mayoría de los iones enumerados son aniones; hay muy pocos cationes poliatómicos.
| \(1-\) | \(2-\) | \(3-\) | \(1+\) |
|---|---|---|---|
| acetato,\(\ce{CH_3COO^-}\) | carbonato,\(\ce{CO_3^{2-}}\) | arseniato,\(\ce{AsO_3^{3-}}\) | amonio,\(\ce{NH_4^+}\) |
| bromato,\(\ce{BrO_3^-}\) | cromato,\(\ce{CrO_4^{2-}}\) | fosfito,\(\ce{PO_3^{3-}}\) | |
| clorato,\(\ce{ClO_3^-}\) | dicromato,\(\ce{Cr_2O_7^{2-}}\) | fosfato,\(\ce{PO_4^{3-}}\) | |
| clorito,\(\ce{ClO_2^-}\) | fosfato de hidrógeno,\(\ce{HPO_4^{2-}}\) | ||
| cianuro,\(\ce{CN^-}\) | oxalato,\(\ce{C_2O_4^{2-}}\) | ||
| fosfato de dihidrógeno,\(\ce{H_2PO_4^-}\) | peróxido,\(\ce{O_2^{2-}}\) | ||
| carbonato de hidrógeno,\(\ce{HCO_3^-}\) | silicato,\(\ce{SiO_3^{2-}}\) | ||
| sulfato de hidrógeno,\(\ce{HSO_4^-}\) | sulfato,\(\ce{SO_4^{2-}}\) | ||
| sulfuro de hidrógeno,\(\ce{HS^-}\) | sulfito,\(\ce{SO_3^{2-}}\) | ||
| hidróxido,\(\ce{OH^-}\) | |||
| hipoclorito,\(\ce{ClO^-}\) | |||
| nitrato,\(\ce{NO_3^-}\) | |||
| nitrito,\(\ce{NO_2^-}\) | |||
| perclorato,\(\ce{ClO_4^-}\) | |||
| permanganato,\(\ce{MnO_4^-}\) |
La gran mayoría de los iones poliatómicos son aniones, muchos de los cuales terminan en -ato o -ite. Observe que en algunos casos como el nitrato\(\left( \ce{NO_3^-} \right)\) y el nitrito\(\left( \ce{NO_2^-} \right)\), existen múltiples aniones que constan de los mismos dos elementos. En estos casos, la diferencia entre los iones es el número de átomos de oxígeno presentes, mientras que la carga general es la misma. Como clase, estos se llaman oxianiones. Cuando hay dos oxianiones para un elemento en particular, el que tiene el mayor número de átomos de oxígeno obtiene el sufijo -ato, mientras que el que tiene el menor número de átomos de oxígeno obtiene el sufijo -ite. A continuación se muestran los cuatro oxianiones de cloro, que también incluye el uso de los prefijos hipo- y per-.
- \(\ce{ClO^-}\), hipoclorito
- \(\ce{ClO_2^-}\), clorito
- \(\ce{ClO_3^-}\), clorato
- \(\ce{ClO_4^-}\), perclorato
No es tu ion habitual
“Bebe leche. Es bueno para tus huesos”. Esto nos dicen desde la primera infancia, y con buena razón. La leche contiene un buen aporte de calcio, parte de la estructura ósea. Sin embargo, existen otros dos componentes iónicos de la hidroxiapatita, el componente mineral. El ion fosfato y el ion hidróxido constituyen el resto del material inorgánico en el hueso.
Noticias que puedes usar
- El hueso es una estructura muy compleja. Se compone de proteína (principalmente colágeno), hidroxiapatita (una mezcla calcio-fosfato-hidróxido), algunos otros minerales, y contiene\(10\) -\(20\%\) agua. Las relaciones calcio/fosfato no son estequiométricas, sino que varían algo de una porción de hueso a la siguiente.
- Los huesos son muy fuertes pero se romperán bajo suficiente estrés. El ejercicio regular y una nutrición adecuada ayudan a aumentar la fuerza ósea. Vea un video sobre la estructura ósea en http://www.youtube.com/watch?v=d9owEvYdouk
- El nitrato es un anión con una estructura de enlace compleja. Las principales fuentes de este ion en el agua potable son la escorrentía de fertilizantes, fugas de tanques sépticos, aguas residuales y depósitos naturales. Las altas concentraciones de nitratos representan un riesgo significativo para la salud, especialmente para los infantes. El nitrato en el cuerpo se convierte en nitrito, que luego se une a la hemoglobina. Esta unión disminuye la capacidad de la hemoglobina para transportar oxígeno, privando así a las células de lo\(\ce{O_2}\) necesario para su correcto funcionamiento.
- La producción de cianuro está muy extendida en toda la naturaleza. Los incendios forestales producirán cantidades significativas de cianuro. Muchas plantas contienen cianuro, y es producido por una serie de bacterias, algas y hongos. El cianuro se utiliza industrialmente en el acabado de metales, fábricas de hierro y acero, y en procesos de síntesis orgánica. Este material también es un componente importante para la refinación de metales preciosos. La formación de un complejo entre cianuro y oro permite la extracción de este metal de una mezcla.
Recursos Suplementarios
- Predecir Cargas Iónicas www.800quintana et.com/4/0004-001-ions.html
- Reseña Quiz de protones, neutrones y electrones en iones https://www.proprofs.com/quiz-school/story.php?title=mtkyotk0na7nvu
Colaboradores y Atribuciones
CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)