Número de oxidación

Las definiciones de oxidación y reducción, en términos de pérdida y ganancia de electrones, se aplican a la formación de compuestos iónicos como el CaO y a la reducción de iones Cu²⁺por Zn. Sin embargo, estas definiciones no se aplican a la formación del cloruro de hidrógeno (HCl) ni del dióxido de azufre (SO2):

H2(g)  +  Cl(g)  -->  2HCl(g)

S(s)  +  O2(g)  -->  SO2(g)

Como el HCl y el SO2 no son compuestos iónicos, sino moleculares, en realidad no se transfieren electrones durante la formación de estos compuestos, lo que si sucede en el caso del CaO. No obstante, los químicos tratan estas reacciones como reacciones redox porque experimentalmente se observa que hay una transferencia parcial de electrones (de H al Cl en el HCl, y de S al O en el SO2).

Para tener un seguimiento de los electrones en las reacciones redox, es conveniente asignar números de oxidación a los reactivos y productos. El número de oxidación de un átomo, también llamado estado de oxidación, significa el número de cargas que tendría un átomo en una molécula (o en un compuesto iónico) si los electrones fueron transferidos completamente. Por ejemplo, las ecuaciones anteriores para la formación de HCl y se podrían escribir como:

0           0       ,      +1-1

H2(g)  +  Cl(g)  -->  2HCl(g)

0           0       ,      +4-2

S(s)  +  O2(g)  -->  SO2(g)

Los números colocados encima de los símbolos de los elementos son los números de oxidación. En ninguna de las dos reacciones hay cargas en los átomos de las moléculas de reactivos. Por tanto, su número de reacción es cero. Sin embargo, para las moléculas de los productos se supone que ha habido una transferencia completa de electrones y los átomos ganaron o perdieron electrones. Los números de oxidación reflejan el número de electrones "transferidos".

Los números de oxidación permiten identificar los elementos que se han oxidado y reducido. Los elementos que muestran un aumento en el número de oxidación, el hidrógeno y el azufre en los ejemplos anteriores, se han oxidado. El cloro y el oxígeno se han reducido, porque los números de oxidación son menores que al inicio de la reacción. Observe que la suma de los números de oxidación del H y del Cl en el HCl (+1 y -1) es cero. Asimismo, si se añaden cargas (+4) en el S y en los dos átomos de O [2 X (-2)], el total es cero. La razón de esto es que las moléculas de HCl y SO2 son neutras y por lo tanto se deben cancelar las cargas.

Ecuaciones moleculares y ecuaciones iónicas

La ecuación: 

Pb(NO3)2 (ac)  +  2NaI(ac)   -->   PbI2(s)   +   2NaNO3(ac) 

la denominamos ecuación molecular porque las fórmulas de los compuestos están escritas como si todas las especies existieran como moléculas o entidades completas. Una ecuación molecular es útil porque aclara la identidad de los reactivos (es decir, nitrato de plomo y yoduro de sodio). Si se quisiera llevar a cabo esta reacción en el laboratorio, ésta es la ecuacion molecular que debería utilizarse. Sin embargo, una ecuación molecular no describe con exactitud lo que realmente está sucediendo a nivel microscópico.

Cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, se separan por completo en los cationes y aniones que los componen. Por ello, para que las ecuaciones se apeguen más a la realidad, deberán indicar de la disociación de los compuestos iónicos en sus aniones. Así la ecuación se escribiría:

Pb²⁺(ac)  +  2NO3^-(ac)  +  2Na⁺(ac)  +  2I^-(ac)   -->   PbI2(s)   +   2Na⁺(ac)  + 2NO3^-(ac)

Esta ecuación ejemplifica una ecuación iónica, en la que se muestran las especies disueltas como iones libres. Una ecuación iónica también incluye a los iones espectadores, es decir, los iones que no participan en la reacción global, en este caso los iones Na⁺ y NO3^-. Como los iones espectadores aparecen en ambos lados de la ecuación y no cambian durante la reacción química, se pueden cancelar. Para centrarse en los cambios que ocurren, se escribe la ecuación iónica neta, que únicamente muestra las especies que realmente participan en la reacción:

Pb²⁺(ac)  +  2I^-(ac)   -->  PbI2(s) 

Los siguientes pasos resumen el proedimiento para escribir ecuaciones iónicas y iónicas netas.

• Escriba la ecuación molecular balanceada para la reacción.
• Vuelva a escribir la ecuación para indicar los iones disociados que se forman en la disolución. Se supone que todos son electrólitos fuertes que, en solución, están completamente disociados en cationes y aniones. Este procedimiento conduce a la ecuación iónica.
• Indique y cancele los iones espectadores en ambos lados de la ecuación para obtener la ecuación iónica neta.

Atomos, moléculas y iones

• La química moderna empezó con la teoría de Dalton, que establece que toda la materia está compuesta por partículas pequeñas e invisibles llamadas átomos; que todos los átomos del mismo elemento son idénticos; que los compuestos contienen átomos de diferentes elementos combinados en relación de numeros enteros, y que los átomos no se crean ni se destruyen durante las reacciones químicas (ley de la conservación de la masa).

• Los átomos  de los elementos que constituyen un compuesto particular siempre se combinan en la misma proporción en masa (ley de las proporciones definidas). Cuando dos elementos se combinan para formar mas de un compuesto, la masa del elemento que se combina con una cantidad fija de masa del otro elemento siempre es una relación de múmeros enteros pequeños (ley de las proporciones múltiples).

• Un átomo está constituído por un núcleo central muy denso, que contiene protones y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del núcleo a una distancia relativamente grande.

• Los protones están cargados positivamente, los neutrones no tienen carga y los electrones están cargados negativamente. Los protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, que es alrededor 1.840 veces mayor que la masa del electrón.

• El número atómico de un elemento es el número de protones presentes en el núcleo de un átomo de ese elemento; determina su identidad. El núnmero de masa es la suma del número de protones y de neutrones presentes en el núcleo.

• Los isótopos son átomos de un mismo elemento, con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.

• En las fórmulas químicas se combinan los símbolos de los elementos que las forman, utilizando como subíndice números enteros para indicar el tipo y número de átomos contenidos en una unidad más baja de un compuesto.

• La fórmula molecular indica el número y tipo específico de átomos combinados en cada molécula de un compuesto. La fórmula empírica muestra la relación más sencilla de los átomos que forman una molécula.
• Los compuestos químicos pueden ser compuestos moleculares (en los que la unidad más pequeña son moléculas individuales discretas) o bien compuestos iónicos (en los cuales los iones positivos y negativos estan unidos por una atracción mutua). Los compuestos iónicos están formados por cationes y aniones, que se forman cuando los átomos pierden o ganan electrones, respectivamente.

• Los nombres de muchos compuestos inorganicos se deducen a partir de algunas reglas sencillas. Las fórmulas se pueden escribir a partir de los nombres de los compuestos.

Compuestos Moleculares

A diferencia de los compuestos iónicos, los compuestos moleculares están formados por unidades moleculares discretas. Por lo general estan formados por elementos no metálicos. Muchos compuestos moleculares son compuestos binarios. La nomenclatura de los compuestos moleculares binarios se hace de manera similar a la de los compuestos iónicos binarios. Se nombra primera el segundo elemento de la fórmula, adicionando el sufijo uro a la raíz del nombre del elemento y despues se nombra el primer elemento. Algunos ejemplos:

HCl   Cloruro de hidrógeno
HBr   Bromuro de hidrógeno
SiC    Carburo de silicio

Es muy común que un par de elementos formen diferentes compuestos. En estos casos se evita la confusión al nombrar los compuestos utilizando prefijos griegos que denotan el número de átomos de cada uno de los elementos. Algunos ejemplos:

CO   Monóxido de carbono
CO₂  Dióxido de carbono
SO₂   Dióxido de asufre
SO₃   Trióxido de asufre
NO₂  Dióxido de nitrógeno
N₂O₄ Tetróxido de dinitrógeno

La siguiente guía es útil para nombrar compuestos con prefijos:

• El prefijo "mono" puede omitirse para el primer elemento. Por ejemplo, PCl₃, se nombra tricloruro de fósforo y no tricloruro de monofósforo. Así, la ausencia de un prefijo para el primero de los elementos generalmente significa que sólo hay un átomo en ese elemento en la molécula.
• Para el caso de los óxidos, en algunas ocasiones se omite la terminación "a" del prefijo. Por ejemplo, N₂O₄ se denomina tetróxido de dinitrógeno y no tetraóxido de dinitrógeno.

La excepción para el uso  de prefijos griegos es el caso de compuestos moleculares que contienen hidrógeno. Tradicionalmente, muchos de esos compuestos se llaman por sus nombres comunes no sistemáticos, o bien mediante nombres que no indican el número de átomos de H presentes:

B₅H₆  Diborano
CH₄   Metano
SiH₄   Silano
NH₃   Amoniaco
PH₃   Fosfina
H₂O  Agua
H₂S  Sulfuro de hidrógeno

Se observa que es irregular el orden en que se escriben los elementos en las fórmulas para los compuestos que contienen hidrógeno. En el agua y el sulfuro de hidrógeno, se escribe primero H, mientras que en los otros compuestos aparece al final.

Generalmente es muy sencillo escribir las fórmulas de los compuestos moleculares. Así, el nombre trifloruro de arsénico indica que hay un átomo de As y tres átomos de F en cada molécula y que la fórmula molecular es AsF₃. Observe que el orden de aparición de los elementos es inverso al nombre.

Fórmulas de los compuestos iónicos

Las fórmulas de los compuestos iónicos por lo general son las mismas que sus fórmulas empíricas debido a que los compuestos iónicos no están formados por unidades moleculares discretas. Por ejemplo, una muestra sólida de cloruro de sodio (NaCl) consiste en el mismo número de iones Na⁺ y Cl^- dispuestos en una red tridimensional. En este compuesto existe una relación de cationes y aniones de 1:1, donde forma que el compuesto es eléctricamente neutro. En el NaCl no se encuentra un ion Na⁺ asociado con un ion Cl^- particular. De hecho cada ion Na⁺ es atraído por los seis iones Cl que le rodean, y viceversa. Así, NaCl es la fórmula empírica del cloruro de sodio. En otros compuestos ionicos la estructura real puede ser diferente, pero el arreglo de cationes y aniones es de tal forma que los compuestos son eléctricamente neutros. Observe que en la fórmula de un compuestio iónico no se muestra la carga del catión ni del anión.

Para que los compuestos iónicos sean eléctricamente neutros, la suma de las cargas de los cationes y de los aniones de una fórmula deben ser igual a cero. Si las cargas de los aniones y de los cationes son númericamente diferentes, se aplica la siguiente regla para que la fórmula sea eléctricamente neutra: el subíndice del catión debe ser numéricamente igual a la carga del anion, y el subíndice del anión debe ser numéricamente igual a la carga del cation. Si las cargas son numéricamente iguales, no es necesario poner subíndices. Esta regla se deriva del hecho de que las fórmulas de los compuestos iónico son sus fórmulas empíricas, por lo que los subíndices a son los números más pequeños posibles. Considere los siguientes ejemplos:

• Bromuro de potasio. El catión potasio K⁺ y el anión bromuro Br^- se combinan para formar el compuesto iónico bromuro de potasio. La suma de las cargas es +1+(-1) = 0 de modo que no es necesario escribir subíndices. La formula es KBr.
• Oxido de aluminio. El catión AL⁺³ y el anión oxígeno es O^2-. La suma de las cargas es 2(+3)+3(-2) = 0. Asi la suma del óxido de aluminio es :Al ₂O₃