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

 

Algunos hechos y conceptos

1. El estudio de la química involucra tres etapas fundamentales: observación, representación e interpretación. La primera se refiere a las mediciones del mundo macroscópico; la representacion implica el uso de símbolos y ecuaciones que facilitan la comunicación; la interpretación está basada en átomos y moléculas, que pertenecer al mundo microscópicos.
2. El método científico es un procedimiento sistemático en la investigación; se inicia al reunir la información por medio de observaciones y mediciones. En el proceso se diseñan y comprueban hipótesis, leyes y teorías.
3. Los químicos estudian la materia y los cambios que ésta experienta. Las sustancias que componen la materia tienen propiedades físicas únicas que se pueden observar sin que cambie su identidad; también tienen propiedades químicas únicas que, cuando son demostradas cambian la identidad de las sustancias. Las mezclas, ya sean homogéneas o heterogéneas, se pueden separar en sus componentes puros por medios físicos.
4. Los elementos son las sustancias químicas más sencillas Los compuestos se forman por la combinación química de átomos de diferentes elementos en proporciones definidas.
5. En principio todas las sustancias pueden existir en tres estados: sólidos, líquido y gaseoso. La conversión entre estos estados puede realizarse cambiando la temperatura.
6. Las unidades SI se utilizan para expresar cantidades físicas en todas las ciencias, incluyendo la química.
7. Los números que se expresan en notación científica tienen la forma Nx10ⁿ. Donde N es un número entre 1 y 10 y n es un número entero positivo o negativo. Esta expresión facilita el manejo de cantidades muy pequeñas o muy grandes.

Fórmulas empíricas

La fórmula molecular del peróxido de hidrógeno, sustancia que se utiliza como antiséptico y como agente blanqueador para fibras textiles y decolorante de cabello, es H₂O₂. Esta fórmula indica que cada molécula de peróxido de hidrógeno contiene dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno. La relación de átomos de hidrógeno a átomos de oxígeno en esta molécula es de 2:2 o 1:1. La fórmula empírira del peróxido de hidrógeno es HO. En consecuencia, la fórmula empírica indica cuales elementos estan presentes y la relación mínima, en número entero, entre sus átomos, pero no necesariamente indica el número real de átomos en una molécula determinada. Como otro ejemplo, considere el compuesto hidrazina (_N2H₄), que se utiliza como combustible para cohetes. La fórmula empírica de la hidrazina es NH₂, La relación entre el nitrógeno y el hidrógeno es 1:2, tanto en la fórmula molecular (_N2H₄), como en la fórmula (NH₂), solo la fórmula molecular indica el número de átomos de N (dos) y de H (cuatro) presentes en una molécula de hidrazina.

Las fórmulas empíricas son las fórmulas quimicas más sencillas; se escriben de manera que los subíndices de las fórmulas moleculares se reduzcan a los númeors enteros mas pequeños que sea posible. Las fórmulas moleculares son las fórmulas verdaderas de las moleculas. Cuando los químicos analizan un compuesto desconocido, generalmente el primer paso consiste en la determinacion de la fórmula empírica.

Para muchas moléculas, la fórmula molecular y la fórmula empírica son la misma. Algunos ejemplos lo constituyen el agua (_H2O), el amoniaco (NH₃), el dióxido de carbono (CO₂) y el metano (CH₃). 

Modelos moleculares

Las moléculas son demasiado pequeñas como para poder observarlas de manera directa. Una forma efectiva para visualizarlas es mediante el uso de modelos moleculares. Por lo común se utilizan dos tipos de modelos moleculares: los modelos de esferas y barras, y los modelos espaciales. En los modelos de esferas y barras los átomos están representados por esferas de madera o de plástico con orificios perforados en ellas. Para representar los enlaces químicos se utilizan barras o resortes. Los ángulos que se forman entre los átomos en los modelos se aproximan a los ángulosde enlace reales de las moléculas. Con excepción del átomo H, todas las esferas son del mismo tamaño y cada tipo de átomo está representado por un color específico. En los modelos espaciales, los átomos estan representados por esferas truncadas que se mantienen unidas a presión de tal manera que los enlaces no se ven. El tamaño de las esfera es proporcional al de los átomos. El primer paso para construir un modelo molecular consiste en escribir la fórmula estructural, que muestra como están unidos entre si los átomos de una molécula. Por ejemplo, la fórmula estructural del agua es  H-O-H. Una línea que une dos símbolos atómicos representan un enlace químico.

Los modelos de esferas y barras muestran con claridad la distribución tridimensional de los átomos y son relativamente fáciles de construir. Sin embargo, el tamaño de las esferas no es proporcional al tamaño de los átomos. Como cosecuencia, las barras por lo general exageran la distancia entre átomos de una molécula. Los modelos espaciales son mas exactos porque muestran la diferencia de tamaño de los átomos. El inconveniente es que su construcción requiere de más tiempo y no muestran bien la posición tridimensional de los átomos.

Modelo de esferas y barras

Modelo espacial

Fórmulas químicas

La fórmula química de una sustancia indica su composición química. Representa a los elementos que contiene y la relación en que se encuentran los átomos. La fórmula de un solo átomo es la misma que el símbolo del elemento. Así, Na puede representar un solo átomo de sodio. Con excepción de los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn), no es común encontrar átomos aislados en la naturaleza. El subíndice que acompaña al símbolo indica el número de átomos en una molécula. Por ejemplo, F₂ indica una molécula que contiene dos átomos de flúor, P₄ y representa cuatro átomos de fosforo en una molécula.

Algunos elementos existen en más de una forma; ejemplos similares son:

1. El oxígeno, que forma moléculas de O₂, y el ozono, que forma moléculas de O₃
2. Las dos formas cristalinas distintas del carbono, el diamante y el grafito.

A las formas diferentes del mismo elemento en el mismo estado físico se les llama modificaciones alotrópicas o alótropos.

Los compuestos contienen dos o más elementos en combinación química en proporciones fijas. Por  tanto, cada molécula de cloruro de hidrógeno, HCl, está formada por un átomo de hidrógeno y un átomo de cloro; cada moécula de tetracloruro de carbono, CCl₄, contiene un átomo de carbono y cuatro átomos de cloro: una molécula de aspirina, C₉H₈O₄ contiene nueve átomos de carbono, ocho átomos de hidrógeno y cuatro átomos de oxígeno.

Algunos grupos de átomos se comportan químicamente como entidades únicas; por ejemplo, un átomo de nitrógeno y dos átomos de oxígeno se combinan en un grupo o radical nitro, el cual puede formar parte de una molécula. En las fórmulas de compuestos que contienen dos o más de los mismos grupos, la fórmula del grupo se encierra entre paréntesis para indicar su presencia. De este modo, el 2, 4, 6-trinitrotuleno (con frecuencia abreviado TNT) contiene tres grupos nitro y su fórmula es C₇H₅(NO₂₎₃ ;para multiplicar por 3, el número de átomos de nitrógeno y oxígeno del grupo NO₂; por lo tanto, en una molécula de TNT hay siete átomos de carbono, cinco de hidrogeno, tres de nitrógeno y seis de oxígeno.

Los compuestos se consideraron sustancias distintas debido a sus diferentes propiedades físicas, y a que se podían separar uno de otro. Una vez establecido el concepto de átomos y moléculas, se comprendió la razón de las diferencias en las propiedades: dos compuestos son diferentes entre si porque sus moléculas son distintas. Por el contrario, si dos moléculas contienen el mismo número de átomos del mismo tipo, arreglados de manera similar, entonces ambas son moléculas del mismo compuesto. De esta manera, la teoría atómica explica la ley de las propiedades definidas.

Esta ley, conocida también como la ley de la composición constante tiene una gran importancia para realizar cálculos:

Diferentes muestras puras de un compuesto siempre contiene los mismos elementos en la misma proporción en masa.

En el campo de la química, los compuestos se citan por su nombre.

Para una sutancia compuesta por moléculas, la fórmula química indica el número de átomos de cada tipo en las moléculas, pero no expresa el tipo de enlace ni el orden en que se unen los átomos en las moléculas.

La fórmula estructural indica cómo están unidos los átomos. Las líneas que unen a los símbolos atómicos representan enlaces químicos entre los átomos.
Estos enlaces representan fuerzas que mantienen a los átomos a cierta distancia y ángulo entre sí. Por ejemplo, la formula estructural del propano indica que tres átomos de C están enlazados en una cadena con tres átomos H unidos a cada uno de los átomos C del extremo de la cadena y dos átomos de H unidos al átomo C central.

 

Átomos y moléculas

El lenguaje que los químicos emplean para describir las formas de la materia y los cambios posibles en su composición se ecuentra en todo el mundo científco. Los símbolos químicos, las fórmulas y las ecuaciones aparecen en áreas tan diversas como son agricultura, economía doméstica, ingeniería, geología, física, biología, medicina y odontología. 

La palabra "estequiometría" deriva del griego stoicheion, que significa "primer principio o elemento", y metron, que quiere decir "medida". La estequiometría describe las relaciones cuantitativas entre los elementos en los compuestos (composición estequiométrica) y entre las sustancias cuando experimentan cambios químicos (estequiometría de reacción).

Aproximadamente 400 a.C., el filósofo griego Demócrito sugirió que toda la materia estaba formada por partículas minúsculas, discretas e indivisibles, a las cuales llamó átomos. Sus ideas fueron rechazadas durante 2000 años, pero a fines del siglo XVIII comenzaron a ser aceptadas.

En 1808, el maestro de escuela inglés, John Dalton, publicó las primeras ideas "modernas" acerca de la existencia y naturaleza de los átomos. Resumió y amplió los vagos conceptos de antiguos filósofos y científicos. Esas ideas forman la base de la teoría atómica de Dalton, que es de las más relevantes dentro del pensamiento científico. Los postulados de Dalton se pueden enunciar en la siguiente forma condensada:

1. Un elemento está compuesto de partículas pequeñas e indivisibles llamadas átomos.
2. Todos los átomos de un elemento dado tiene propiedades idénticas, las cuales difieren de las de átomos de otros elementos.
3. Los átomos de un elemento no pueden crearse, destruirse o transformarse en átomos de otros elementos.
4. Los compuestos se forman cuando átomos de elementos diferentes se combinan entre sí en una proporción fija.
5. Los números relativos y tipos de átomos son constantes en un compuesto dado.

En la época de Dalton ya se conocía la ley de la conservación de la materia y la ley de las proporciones definidas, las cuales fueron la base de su teoría atómica. Dalton consideró que los átomos eran esferas sólidas e indivisibles, idea que en la actualidad se rechaza, pero demostró puntos de viusta jmportantes acerca de la naturaleza de la materia y sus interacciones. En ese tiempo algunos de sus postulados no pudieron verificarse (o refutarse) experimentalmente, ya que se basaron en las limitadas observaciones experimentales de su época. Aun con sus limitaciones, los postulados de Dalton constituyen un marco de referencia que posteriormente los científicos pudieron modificar o ampliar. Por esta razón se considera a Dalton como el padre de la teoría atómica.

Las partículas más pequeñas de un elemento que mantiene su identidad química a través de todos los cambios químicos y físicos se llama átomo. En casi todas las moléculas, dos o más átomos se unen entre sí formando unidades discretas muy pequeñas (partículas) que son eléctricamente neutras.

Una molécula es la partícula más pequeña de un compuesto o elemento que tiene existencia estable e independiente. Un átomo de oxígeno no puede existir sólo a temperatura ambiente y presión atmosférica normal; por tanto, cuando se mezclan átomos de oxígeno en esas condiciones, de inmediato se combinan en pares. El oxígeno que se conoce está formando por dos átomos de oxígeno; es una molécula diatómica O2. Otros ejemplos de moléculas diatómicas son el hidrógeno, el nitrógeno, el flúor, el cloro, el bromo y el yodo.

Otros elementos existen como moléculas más complejas; por ejemplo, el fósforo forma moléculas de cuatro átomos y el azufre moléculas de ocho átomos a temperatura y presiones normales. Las moléculas que contienen más de dos átomos se denominan moléculas poliatómicas.

Las moléculas de los compuestos están formadas por más de un tipo de átomos. una molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Una molécula de metano consta de un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno.
Los átomos son los componentes de las moléculas, y éstas a su vez son los componentes de los elementos y de la mayor parte de los compuestos. A simple vista es posible observar las muestras de los compuestos y elementos, formadas por grandes números de átomos y moléculas. Con el microscopio electrónico es posible "ver" en la actualidad a los átomos. Para formar una fila de 2.5cm de largo serían necesario 217 millones de átomos de silicio.

Metales, no metales y metaloides

Los elementos se clasificaron de diversas maneras, basándose en sus posiciones en la tabla periódica. En otro esquema de clasificación, los elementos suelen dividirse en tres clases: metales, no metales y metaloides.

Los elementos a la izquierda de los que se tocan a la linea zig-zag son metales (con excepción del hidrógeno), mientras que los que se encuentran a la derecha son no metales. Esta clasificación es algo arbitraria y hay elementos que no se adaptan bien a cualquiera de estas clases.

Los elementos adyacentes a la línea marcada suelen llamarse metaloides (o semimetales) porque muestran algunas propiedades características tanto de los metales como de los no metales.

Las propiedades generales de los metales y los no metales son opuestas. No todos los metales y no metales poseen dichas propiedades, pero las comparten en grado variable. Las propiedades físicas del enlace metálico en sí depende del número de electrones, en especial electrones desapareados que se encuentran más allá de la "última" capa con configuración de gas noble.

Como se indicó con anterioridad, los metaloides muestran algunas propiedades características tanto de metales como de no metales. Muchos de los metaoides como el silicio, el germanio y el antimonio, actúan como semiconductores, y son importantes para los circuitos electrónicos de estado sólido. Los semiconductores son aislantes a temperaturas inferiores, pero algunos son conductores a temperaturas más altas.

El aluminio es el más metálico de los metaloides y en ocasiones se clasifica como metal. Tiene apariencia metálica y es un conductor excelente de la electricidad, pero su conductividad eléctrica aumenta al elevarse la temperatura. Las conductividades de los metales disminuyen al elevarse la temperatura.