FORMULACIÓN INORGÁNICA

CONCEPTOS BÁSICOS

SUSTANCIAS QUÍMICAS

En la naturaleza los materiales que encontramos suelen ser mezclas de sustancias. Las sustancias (químicas puras) son un tipo de materia cuya composición es siempre la misma, no cambia. Por ejemplo, el oxígeno, el agua o la sal común son idénticas en todos los lugares y momentos. Precisamente por eso tienen fórmula. La fórmula es una manera de indicar la composición de una sustancia.

Hay dos grandes tipos de sustancias, los elementos y los compuestos. Los elementos están formados por átomos idénticos y los compuestos están formados por, al menos, dos tipos de átomos.

¿CÓMO SE UNEN LOS ÁTOMOS?

Los átomos se unen formando estructuras más o menos complejas que podemos clasificar como moléculas o cristales. En este proceso intervienen los electrones.

Si los átomos tienen mucha diferencia de electronegatividad, algunos electrones se desplazan de un átomo a otro. El elemento más electronegativo "roba" electrones al otro átomo. Como consecuencia se forman iones con cargas opuestas que se atraen entre si.

Se obtienen sustancias iónicas que forman cristales. Es el caso de la sal común, el cloruro de sodio.

Si los átomos tienen poca o ninguna diferencia de electronegatividad, los electrones se desplazan poco (o nada), situándose entre los átomos que enlazan. En este caso no se forman iones y la consecuencia del proceso es la formación de moléculas (también se pueden formar cristales). Es importante resaltar que en este caso no se forman iones.

Sustancias moleculares son, por ejemplo, el oxígeno o el agua.

ELECTRONEGATIVIDAD

En consecuencia, para saber si una sustancia está formada o no por iones es necesario conocer las electronegatividades de los elementos que se han unido.

Por ahora es suficiente con conocer que en el sistema periódico la electronegatividad aumenta cuando nos desplazamos hacia la derecha en una fila (en un periodo) y hacia arriba en una columna (en un grupo). Por ello, los metales (Na, Mg, K, Ca, ...) que están en la zona izquierda del SP son poco electronegativos (son electropositivos). Sin embargo, los no metales (F, O, N, S, P, ...) que están en la derecha del SP tienen electronegatividades elevadas (son electronegativos).

El tipo de compuesto (iónico o no) depende de las electronegatividades de los elementos que se enlazan. La siguiente simulación permite seleccionar dos elementos y comprobar el tipo de enlace (iónico o covalente) que se forma entre ellos.

FÓRMULAS

En la nomenclatura química tenemos que diferenciar entre tres tipos de fórmulas: empírica, molecular y estructural.

La fórmula empírica está formada por los símbolos atómicos con los subíndices enteros más pequeños para proporcionar la fórmula más sencilla que expresa su composición.

La fórmula molecular es similar a la empírica pero los subíndices utilizados indican la composición real de la molécula, es decir, el número de átomos de clase que contiene.

Si ambos tipos de fórmulas indican la composición de la sustancia química ¿Cuál debemos utilizar?. La respuesta es simple: depende de la información que deseemos comunicar. Además, en muchos casos casos las fórmulas empírica y molecular coinciden.

La fórmula empírica se utiliza en las sustancias iónicas, es decir, aquellas que están formadas por iones como la sal común. La fórmula empírica solo indica la proporción en que están unidos los iones, por ejemplo, la fórmula de la sal común NaCl indica que en esa sustancia hay un ion sodio por cada ion cloro. No indica el número total de iones que forman el cristal porque puede ser cualquiera.

La fórmula molecular, sin embargo, se utiliza en las sustancias covalentes que, como el agua, están formadas por moléculas (no tienen iones). La fórmula molecular indica el número de átomos que forman las moléculas, por ejemplo, la fórmula del agua H₂O indica que su molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. En las sustancias moleculares podemos diferenciar entre fórmula molecular y empírica.

La fórmula estructural indica (parcial o totalmente) la forma en que los átomos de la molécula están unidos entre sí y colocados en el espacio

En los casos más sencillos es simplemente una secuencia de símbolos. Por ejemplo la fórmula estructural del peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) es HOOH. Indica que los dos átomos de oxígeno están unidos entre sí y que cada átomo de hidrógeno está unido a un átomo de oxígeno. En los casos más complejos hay que utilizar signos de inclusión como paréntesis, corchetes o llaves. Por ejemplo, en el caso del ácido nítrico, de fórmula molecular HNO3, su fórmula estructural es:

[NO2(OH)]

que indica que el átomo central de nitrógeno está unido a dos átomos de oxígeno y a un grupo hidróxido.

¿Orden de los símbolos en la fórmula?

En las fórmulas, los símbolos pueden ordenarse de diversas maneras. Sin embargo, hay dos grandes principios de ordenación: la electronegatividad y el orden alfanumérico.

Orden basado en la electronegatividad

Según este principio los símbolos se colocan en la fórmula de acuerdo a sus electronegatividades relativas. Primero, a la izquierda, se coloca el elemento menos electronegativo (más electropositivo) y, después, a la derecha, el más electronegativo

Para orientarnos, la IUPAC establece la preferencia de los elementos en la fórmula según indica la siguiente figura:

El elemento de más preferencia será el último en esta secuencia.

Esta figura recoge una tabla periódica en le que se ha cambiado la posición a los gases nobles y al hidrógeno. Para establecer preferencia simplemente recorremos los grupos del SP desde arriba hasta abajo y desde la derecha hasta la izquierda.

Este orden recuerda bastante al de la electronegatividad pero no tiene por qué ser idéntico a él (por ejemplo: el oxígeno es el segundo elemento más electronegativo después del flúor, sin embargo, en esta tabla aparece detrás de F, Cl, Br y I). La IUPAC, por tanto, ha "olvidado" el orden en base a la electronegatividad y lo ha sustituido por este otro que se le parece bastante y es más fácil de recordar.

Este principio de ordenación se suele utilizar en especies binarias:

NH₃; H₂S; OF₂; O₂Cl; RbBr

Sin embargo, para la mayor parte de los compuestos que están formados por más de dos elementos se usan más a menudo otros criterios de ordenación de los símbolos de los elementos en las fórmulas.

Orden alfanumérico

Según este principio los símbolos atómicos en las fórmulas se ordenan en orden alfabético. Los símbolos de una letra preceden a los de dos letras con la misma letra inicial (B antes que Be)

Este criterio es utilizado, por ejemplo, para ordenar los ligandos en los compuestos de coordinación y, en general en la nomenclatura de adición. Por ejemplo, en el ácido sulfúrico, a continuación del símbolo del átomo central (S) se colocan los dos ligandos (O) y (OH) en orden alfabético de sus símbolos.

[SO₂(OH)₂]

O en este complejo de antimonio [SbCl₂F], después de citar el átomos central (Sb) se indica el cloro antes que el flúor.

Otras ordenaciones

Hay ordenaciones particulares que se siguen empleando sin atender a electronegatividad u orden alfabético. Por ejemplo, en lo oxácidos hay una ordenación tradicional en la que se escriben primero los átomos de hidrógeno ácidos (reemplazables), a continuación el átomo central y luego los átomos de oxígeno.

HNO₃; H₂CO₃

Otro caso es el de los compuestos que tienen tres o mas elementos, en los que no se puede aplicar el criterio de electronegatividad o alfanumérico con claridad a la molécula en su conjunto. En estos casos, la molécula es tratada como una sal generalizada, diferenciando entre la parte más electronegativa y la menos electronegativa (más electropositiva). El principio de ordenación es entonces:
(i) todos los constituyentes electropositivos preceden a todos los constituyentes electronegativos;
(ii) se usa el orden alfabético dentro de cada uno de los dos grupos que constituyen la fórmula.

A continuación se citan algunos ejemplos:

KMgF₃

la parte electropositiva tiene K antes que Mg

MgCl(OH)

la parte electronegativa tiene Cl antes que OH

FeO(OH)

la parte electronegativa tiene O antes que OH

¿Cómo se obtienen los subíndices de los elementos en las fórmulas?

En las fórmulas químicas aparecen los símbolos de los elementos afectados de unos subíndices que no pueden ser modificados, ¿cómo se determinan?. Para entender este proceso, previamente hay que conocer el significado de un concepto muy importante en Química: el número de oxidación.

Los elementos en estado natural, sin combinar, son neutros. Este hecho lo podemos expresar asignándole un número de oxidación 0. Sin embargo, hemos visto que cuando los elementos se combinan hay trasvase (total o parcial) de electrones entre ellos. Eso cambia el número de oxidación. El elemento que gana electrones (cargas negativas) adquiere número de oxidación negativo. El elemento que pierde electrones adquiere número de oxidación positivo. La tabla recoge los números de oxidación más frecuentes de los elementos más comunes.

Los metales tienen números de oxidación positivos eso quiere decir que cuando se combinan pierden electrones.

Los no metales tienen números de oxidación positivos o negativos, es decir, dependiendo de con quien se combinan pierden o ganan electrones.

Es esperable que los metales (con número de oxidación positivo) se puedan combinar con los no metales (con número de oxidación negativo). También es esperable que los no metales se puedan combinar entre si ya que pueden tener números de oxidación positivos y negativos

Cálculo de los subíndices de la fórmula

Para hacerlo podríamos pensar que los electrones que gana (total o parcialmente) un elemento los tiene que perder el otro. Por tanto, para determinar los subíndices que aparecen en la fórmula solo tendremos que tener en cuenta dos cosas:

- Los números de oxidación de los elementos que aparecen en ella

- La carga eléctrica de la especie química que se forma. Si es una molécula será neutra. Si es un ion no.

La estrategia es sencilla. Veamos algunos ejemplos.

¿Cuál es la fórmula del cloruro de potasio?

Sabemos que está formado por potasio y cloro. El cloro tiene preferencia sobre el potasio luego se escribe a la derecha en la fórmula. El potasio es un metal con número de oxidación 1. El cloro tiene varios números de oxidación pero en las combinaciones con los metales (que solo tienen números de oxidación positivos) debe actuar con un número de oxidación negativo y el único que tiene es -1. Como el compuesto formado es neutro, la suma de los números de oxidación debe ser cero:

0 = x (1) + y (-1)

la solución más sencilla es x = 1 ; y = 1

La fórmula del cloruro de potasio es KCl

¿Cuál es la fórmula del óxido de sodio?

Sabemos que está formado por sodio y oxígeno. El oxígeno tiene preferencia sobre el sodio luego se escribe a la derecha en la fórmula. El sodio es un metal con número de oxidación 1. El oxígeno, por tanto, debe actuar con un número de oxidación negativo (-2). Como el compuesto formado es neutro, la suma de los números de oxidación debe ser cero:

0 = x (1) + y (-2)

la solución más sencilla es x = 2 ; y = 1

La fórmula del óxido de sodio es Na₂O

¿Cuál es la fórmula del sulfuro de hidrógeno?

Sabemos que está formado por azufre e hidrógeno, los dos son no metales. El azufre está situado antes que el H en la preferencia de los elementos, por tanto, se coloca en la fórmula a la derecha (por eso también esta sustancia es un sulfuro y no un hidruro). Por la misma razón, el azufre, al ser la parte electronegativa de la fórmula, tendrá número de oxidación negativo (-2) y el hidrógeno, al ser la parte electropositiva, lo tendrá positivo (+1). Como el compuesto formado es neutro, la suma de los números de oxidación debe ser cero:

0 = x (1) + y (-2)

la solución más sencilla es x = 2 ; y = 1

La fórmula del óxido de disodio es H₂S

¿Cuál es la fórmula del fluoruro de azufre (VI)?

Sabemos que está formado por flúor y azufre, los dos son no metales. El flúor está situado antes que el azufre en la preferencia de los elementos, por tanto, se coloca en la fórmula a la derecha (por eso también esta sustancia es un fluoruro y no un sulfuro). Por la misma razón, el flúor, al ser la parte electronegativa de la fórmula, tendrá número de oxidación negativo (-1) y el azufre, al ser la parte electropositiva, lo tendrá positivo, en este caso 6 (lo indica el nombre). Como el compuesto formado es neutro, la suma de los números de oxidación debe ser cero:

0 = x (6) + y (-1)

la solución más sencilla es x = 1 ; y = 6

La fórmula del hexafluoruro de azufre es SF₆

¿Y en el caso de los iones?

Se aplica la misma estrategia. Veamos un ejemplo.

Determinar la fórmula de ion nitrato sabiendo que su carga es -1, está formado por nitrógeno y oxígeno y en él el nitrógeno tiene número de oxidación +5.

N_xO_y^-

La suma de los números de oxidación debe ser igual a -1, que es la carga del ion.

-1 = x (5) + y (-2)

si tomamos x =1 ; -1 = 5 -2y ; o sea 2y = 6

por tanto, x = 1 ; y =3

El ion nitrato es NO₃^-