El primer intento por sistematizar las sustancias químicas se debe a Lavoisier, que junto con un grupo de colaboradores (Morveau, Berthollet, Fourcroy, Hassenfratz y Adet) publicó el MÉTODO DE NOMENCLATURA QUÍMICA en 1787.
Hoy día se conocen millones de sustancias y la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) se encarga de establecer las normas de la nomenclatura química. Ante este reto colosal, ha establecido una serie de reglas recogidas en el libro rojo (versión resumida en español) que establecen una formulación sistemática, alejada de nombres vulgares y sistemas semisistemáticos que se apoyan en denominaciones arbitrarias de las sustancias químicas.
NOMENCLATURA SISTEMÁTICA
Una nomenclatura es sistemática cuando los nombres de las sustancias se obtienen de la aplicación de reglas y de ellos se pueden inferir sus composiciones químicas.
La IUPAC distingue tres tipos de nomenclaturas sistemáticas:
- Nomenclatura de composición (estequiométrica)
Está basada en la composición y no en la estructura.
P.e. Tricloruro de hierro; cloruro de Hierro(III); Cloruro de hierro(3+) por FeCl3
- Nomenclatura de adición
Está basada en el conocimiento de la composición y la estructura de la sustancia.
P.e. Dihidroxidodioxidoazufre por H2SO4= [SO2(OH)2]
- Nomenclatura de sustitución
Está basada en en el conocimiento de la composición y la estructura de la sustancia.
P.e. Diclorometano por CH2Cl2
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, las simples (elementos) y las compuestas (compuestos). Los elementos están formados por átomos idénticos y los compuestos están formados por, al menos, dos tipos de átomos.
A.1. Explicar por qué el agua de mar o el ácido clorhídrico comercial no tienen fórmula
Tanto el agua de mar como el ácido clorhídrico comercial son mezclas, disoluciones acuosas, no son sustancias puras, por tanto no tienen una composición invariable y no se les puede asignar una fórmula. El agua de mar puede cambiar de composición de unos lugares a otros o el ácido clorhídrico puede obtenerse con diferentes concentraciones.
Este razonamiento puede extenderse a otros materiales habituales como el aire, el vino, la leche, ... Son mezclas y no tienen fórmula. Si la tienen las sustancias químicas que las forman, por ejemplo, el alcohol etílico, el oxígeno, el nitrógeno, el agua, ...
TIPOS DE COMPUESTOS
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.
A.2. ¿Existen iones en las sustancias moleculares?
No existen iones en las sustancias moleculares. Sin embargo, eso no quiere decir que no haya pequeñas cargas eléctricas en los átomos de este tipo de sustancias. Como veremos, cuando se unen dos átomos de diferente electronegatividad hay un desplazamiento de electrones hacia el átomo más electronegativo. Esto provoca una pequeña carga eléctrica negativa en él y una pequeña carga positiva en el átomo al que se une.
En sentido estricto hay compuestos iónicos y moleculares (covalentes) bien definidos pero hay también muchos que están en una situación intermedia. Son las sustancias covalentes polares.
TIPOS DE 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.
A.3. ¿Por qué no se pueden utilizar fórmulas moleculares con las sustancias iónicas?
Porque en las sustancias iónicas no hay moléculas. En un grano de sal común no hay moléculas NaCl. Como no hay moléculas, en las sustancias iónicas nos debemos limitar a indicar la proporción en que se encuentran los iones, por tanto usamos las fórmulas empíricas.
A.4. ¿Qué diferencias existen entre las fórmulas molecular y estructural del ácido nítrico: HNO3y [NO2(OH)]?
La fórmula molecular solo indica el número de átomos de cada clase que forman la molécula. La fórmula estructural, además, indica cómo están unidos los átomos dentro de la molécula. Por ejemplo, en el ácido nítrico el nitrógeno central está unido a dos átomos de oxígeno O y a un grupo hidroxilo OH.
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 flúor es el elemento con mayor preferencia, por eso su símbolo siempre se colocará a la derecha en las fórmulas de sus compuestos.
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; O5Cl2; 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.
Otros tipos de ordenación
Los símbolos químicos pueden ser ordenados en la fórmula de acuerdo a otros criterios, por ejemplo, el alfabético. Este es el utilizado en la nomenclatura de adición y, en general, en los compuestos de coordinación:
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.
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
A.5. En los compuestos binarios se utiliza el criterio de electronegatividad para colocar los símbolos en las fórmulas. Justifique en base a ello que la fórmula del hidruro de sodio sea NaH y la del cloruro de hidrógeno HCl . Justifique las siguientes fórmulas: NH3; H2S; OF2; O5Cl2; RbBr.
De acuerdo con la tabla de preferencia, el hidrógeno es más electronegativo que el sodio por ello en el hidruro de sodio el símbolo del hidrógeno se coloca a la derecha y el del sodio a la izquierda. En el caso del cloruro de hidrógeno ocurre lo contrario, el cloro es más electronegativo que el hidrógeno y su símbolo se coloca a la derecha.
El hidrógeno está situado entre los elementos del grupo del N y del grupo del O, por ello se sitúa a la derecha del N y a la izquierda del S.
TABLA PERIÓDICA
Tabla 1. Elementos más comunes del sistema periódico
Para formular es muy importante tener un cierto conocimiento de la tabla periódica. Por lo menos saber situar los elementos más comunes. Esto hace posible que formemos familias y les asociemos propiedades comunes que son más fáciles de recordar. Esto ocurre, por ejemplo, con los iones más comunes que forman los elementos químicos.
En la segunda fila de la tabla anterior aparece la numeración de las columnas correspondientes al sistema periódico corto que corresponde a los elementos representativos. Los elementos que aparecen en los grupos 3 al 12 son los metales de transición.
A.6. Dad el nombre y memorizad la posición de cada uno de los elementos de que consta la tabla periódica anterior.
Es muy importante que aprendamos a formular ayudados de una tabla periódica. Mientras que memorizas la posición de los elementos más comunes ten una sobre la mesa.
A.7. Predecid, a partir de la columna en donde está situado cada uno, qué iones pueden formar más fácilmente los siguientes elementos: Li, Mg, O, Cl, Ca. El galio Ga es un elemento de la misma familia que el boro y el aluminio, ¿qué ion formará con más facilidad?
Li+ ; Mg2+; O2- ; Cl- ; Ca2+
Ga3+
-Electronegatividad y número de oxidación
- Combinación entre no metales