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 o incluso la estructura de las partículas que las forman.
La IUPAC distingue tres tipos de nomenclaturas sistemáticas:
- Nomenclatura de composición (estequiométrica)
Está basada en la composición, pero 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 el conocimiento de la composición y la estructura de la sustancia.
P.e. Diclorometano por CH2Cl2
SUSTANCIAS QUÍMICAS
En Química, el término sustancia tiene un significado muy preciso:
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.
Pues bien, precisamente por eso, solo las sustancias químicas puras 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.
En la naturaleza los materiales que encontramos no suelen ser sustancias químicas puras, sino mezclas de sustancias. Por ejemplo, el aire es una mezcla muy compleja de elementos (principalmente oxígeno y nitrógeno) y compuestos (principalmente dióxido de carbono y agua). O el vino, que es una mezcla muy compleja en la que predominan el agua y el alcohol etílico (dos compuestos).
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, ...
VALENCIA, CARGA ELÉCTRICA Y NÚMERO DE OXIDACIÓN
Cuando a lo largo del siglo XIX se pudieron establecer las composiciones y las fórmulas de las sustancias puras, resultó útil introducir el concepto de Valencia.
Fíjate en las fórmulas de estos cuatro compuestos:
HCl
H2O
NH3
CH4
Parece que los átomos de los elementos químicos podían combinarse con números diferentes de átomos de hidrógeno. El de Cloro solo se combinaba con uno, el de Oxígeno con dos, el de Nitrógeno con tres y el de Carbono con cuatro.
Ese hecho provocó que los químicos de la época introdujeran el concepto de VALENCIA.
La VALENCIA de un elemento químico medía la capacidad de combinación de sus átomos. Dicho de otra manera: la Valencia mide el valor químico de un elemento.
La del Cloro era 1 porque un átomo de Cloro solo se combinaba con un átomo de Hidrógeno (fíjate que el Hidrógeno fue usado como referencia). Por la misma razón la del Oxígeno era 2, la del Nitrógeno era 3 y la del Carbono 4.
Poco después se comprobó que las cosas no eran tan sencillas. Por ejemplo, los elementos químicos podían tener más de una Valencia. El nitrógeno 3 y 5 o el Cloro 1, 3, 5 y 7.
Mas adelante, en el siglo XX comprendimos que la valencia de un elemento se podía explicar en base a dos conceptos más simples: la carga de los iones o el número de oxidación.
Para formular adecuadamente es preciso entender estos dos conceptos, y en esa empresa hay que hablar de la electronegatividad.
COMPUESTOS IÓNICOS Y COMPUESTOS MOLECULARES
La idea es muy simple:
Si los átomos que se unen 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. Las cargas eléctricas de los iones formados, explican la valencia con la que actúan los elementos que se están enlazando.
En este caso se obtienen compuestos iónicos que forman cristales. Es el caso de la sal común, el cloruro de sodio NaCl.
El cloro tendría valencia 1 porque forma un ion con una carga negativa.
El sodio tendría valencia 1 porque forma un ion con una carga positiva.
En estos compuestos iónicos la VALENCIA coincide con la carga del ion formado.
Si los átomos que se unen 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. Por tanto, en este tipo de compuestos moleculares, la VALENCIA no está relacionada con la carga de ningún ión, sino con el ESTADO DE OXIDACIÓN de los átomos que intervienen.
Sustancias moleculares son, por ejemplo, el oxígeno o el agua.
La fórmula del agua, compuesto molecular, es H2O no porque en ella existan dos iones H+ y un ion O=. La aproximación de los dos átomos de H al átomo de O no termina con el trasvase completo de electrones desde el H (menos electronegativo) al O (más electronegativo). En lugar de ello, hay un pequeño desplazamiento de los electrones que provoca un cambio en el estado (también llamado número) de oxidación de los átomos. El del oxígeno pasa a ser -II y el de hidrógeno +I.
Ojo: Asumimos que el estado de oxidación de los átomos en el elemento es 0. Eso tiene lógica. Si los átomos que se unen son iguales, no hay diferencia de electronegatividad entre ellos y durante la unión no debe existir ningún tipo de desplazamiento electrónico, por pequeño que sea.
También se habrá fijado que para indicar las cargas de los iones usamos números arábigos: 1, 2, 3, ...Pero para indicar los estados de oxidación usamos números romanos: I, II, III, ...
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 cada 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 necesariamente en los compuestos iónicos, es decir, aquellos que, como la sal común, están formados por iones. La fórmula empírica solo indica la proporción en la que están unidos los iones de cada clase que existen en el compuesto.
Por ejemplo, la fórmula de la sal común NaCl indica que en esa sustancia hay un ion sodio por cada ion cloro. No puede indicar el número total de iones de cada clase 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 SI indica el número de átomos de cada clase 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. Por ejemplo, la fórmula molecular del agua oxigenada (peróxido de hidrógeno) es H2O2 , pero su fórmula empírica es HO. Si simplificamos todo lo posible una fórmula molecular obtendremos la fórmula empírica.
Las fórmulas estructurales (hay de varios tipos) indican (en mayor o menor grado) la forma en que los átomos de la molécula están unidos entre sí y colocados en el espacio. El caso más sencillo de fórmula estructural es simplemente una secuencia ordenada de símbolos. Por ejemplo, una 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, una 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 en función de diversos criterios. Los más utilizados son: 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.
A la izquierda, se coloca el elemento menos electronegativo (más electropositivo) y, a la derecha, el más electronegativo
Para no tener que usar una tabla de electronegatividades cada vez que tengamos que aplicar este criterio, la IUPAC ha establecido un orden de preferencia de los elementos en las fórmulas que está basado en la electronegatividad, pero que tiene la ventaja de ser muy fácil de recordar ya que se parece mucho a la Tabla Periódica.
Para establecer preferencia simplemente recorremos los grupos desde arriba hasta abajo y desde la derecha hasta la izquierda. El elemento de mayor preferencia es el Flúor y el de menor es el Oganeson, el último de los gases nobles.
Como vemos, el orden de preferencia respeta el de electronegatividad y recuerda mucho a la Tabla Periódica. Pero hay cambios con respecto a la TP que hay que comentar:
- Los gases nobles han pasado desde la derecha a la izquierda. Son, por tanto, los elementos con menor preferencia en las fórmulas de sus compuestos.
- El hidrógeno ha sido colocado en un lugar especial: después de la columna del oxígeno, pero antes de la columna del nitrógeno.
- El oxígeno no ha sido desplazado, se mantiene en la misma posición que ocupa en la TP. Esa decisión de la IUPAC crea un pequeño problema: el orden de preferencia de los elementos en las fórmulas se aparta del orden de electronegatividad en el caso del oxígeno. La IUPAC coloca al oxígeno detrás de todos los halógenos en el orden de prefencia en las fórmulas a pesar de que es más electronegativo que Cl, Br y I.
En consecuencia, los símbolos de los halógenos siempre se colocarán en la derecha en las fórmulas de sus compuestos, incluidos los óxidos. Eso respeta el orden de electronegatividad en el caso del F, pero no en los casos de Cl, Br y I.
Esta disfunción solo se explica por facilidad en recordar el orden de prelación de los símbolos en las fórmulas.
Este principio de ordenación se suele utilizar en especies binarias:
NH3; H2S; OF2; O5Cl2; RbBr
Ordenación ALFANUMÉRICA
Sin embargo, para la mayor parte de los compuestos que están formados por más de dos elementos se usan otros criterios de ordenación de los símbolos de los elementos en las fórmulas. En particular el alfanumérico (orden basado en el de las letras y los números).
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.
Otros criterios de ordenación
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
Como se deduce de lo anteriormente expuesto, 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