CARÁCTER METÁLICO Y ELECTRONEGATIVIDAD
En el sistema periódico vemos que los elementos de la izquierda y centrales tienen tendencia formar iones con carga positiva y los de la derecha a formar iones negativos. A los primeros los denominamos metales y a los segundos no metales. Para entenderse mejor, a veces se habla de "tendencia" de los átomos a ganar y perder electrones, señalando que los metálicos son aquellos que más tendencia tienen a perder electrones y los no metálicos a ganar electrones.
Tabla 1. Elementos más comunes del sistema periódico
El carácter metálico aumenta hacia la izquierda y hacia abajo mientras que el carácter no metálico de los elementos en general aumenta hacia la derecha del sistema periódico y hacia arriba , así en la tabla anterior el elemento más metálico es el Cs y el más no metálico es el flúor.
Evolución del carácter metálico y no metálico en el sistema periódico
Algunos elementos situados entre los grupos 13 y 16 tienen un carácter intermedio entre metal y no metal y se denominan semimetales (B, Si, Ge, As, Sb, Te).
La electronegatividad es una propiedad que mide la tendencia de un átomo para atraerse hacia sí los electrones de enlace. Los átomos de elementos muy electronegativos, como el flúor, tiran intensamente de los electrones y los de elementos poco electronegativos, como el sodio, tiran con poca intensidad de los electrones de enlace. Por ello, si se establece un enlace entre sodio y flúor ocurrirá que los electrones del enlace estarán muy próximos al átomo de flúor formando un ion negativo F-. Asimismo, se formará un ion positivo Na+ por la razón contraria.
Por ahora es suficiente con conocer que en el sistema periódico la electronegatividad cambia de la misma manera que el carácter metálico, 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) formado 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.
NÚMERO DE OXIDACIÓN
El número de electrones sobre los que un átomo gana o pierde dominio, cuando se enlaza con otro, se llama número o índice de oxidación (positivo si se pierde dominio, negativo si se gana).
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 dos elementos se combinan uno será más metálico que el otro y habrá trasvase (total o parcial) de electrones entre ellos. Eso cambia el número de oxidación. El elemento que gana electrones (gana carga negativa) adquiere número de oxidación negativo. El elemento que pierde electrones (gana carga positiva) adquiere número de oxidación positivo.
A.8. Razonad cuál sería el índice de oxidación que tendrían los elementos de cada grupo de los elementos representativos (sistema periódico corto) en función de la regla del octeto (índice de oxidación principal).
Los de los grupos 1, 2 y 13 tendrían como índice de oxidación I, II y III ya que han de perder 1, 2 y 3 electrones respectivamente para adquirir estructura electrónica de gas noble. Los del grupo 14, actuarán con índice de oxidación IV. Finalmente, los de los grupos 15, 16 y 17, tendrían como índices de oxidación principal, (-III),(- II) y (-I) (negativos todos ellos) ya que esos son precisamente los electrones que respectivamente han de ganar para completar el octeto. (Resulta más fácil energéticamente que, el cloro, por ejemplo, gane un electrón y adquiera la misma estructura electrónica que el gas noble Ar, que arrancarle siete para que se quede con la misma estructura que el gas noble Ne). En el grupo 13 el boro, es un elemento excepcional (semimetal), que por su pequeño tamaño se comporta como un no metal aceptando 3 electrones por tanto con índice de oxidación (-III).
Si cada elemento químico tuviese un sólo índice de oxidación, la formulación sería más sencilla. Sin embargo un mismo elemento puede actuar con varios índices de oxidación, dependiendo no sólo del número de electrones que le falten o le sobren para alcanzar la estructura electrónica de gas noble (índice de oxidación principal), sino también de otros factores que se irán analizando en cursos superiores. Pero esto no es un gran inconveniente puesto que para formular correctamente solo hemos de memorizar los índices de oxidación que aparecen en la tabla 1 (que corresponden a la tendencia de los elementos a cumplir la regla del octeto). En el caso de los no metales, grupos 13 a 17, el índice de oxidación (negativo) corresponde a los compuestos en los que es el elemento más electronegativo, pero hay que tener en cuenta que también pueden actuar con números de oxidación positivos, cuando se combina con otro más electronegativo que él. Al igual que en los metales, esto no es un problema puesto que nos indicarán de alguna forma su índice de oxidación.
La siguiente tabla recoge los números de oxidación más frecuentes de los elementos más comunes.
A.9. Los elementos escandio (Sc), titanio (Ti) y vanadio (V) se encuentran en ese orden entre el calcio y el cromo. A la vista del la tabla anterior sugerir cuáles podrían ser los números de oxidación máximos de esos elementos.
Si nos fijamos el número de oxidación máximo aumenta progresivamente a medida que nos movenos de izquierda a derecha en un periodo del SP. Así K (+I), Ca(+II), y Cr(+VI), Mn(+VII). Por ello, sería razonable que se cumpliera: Sc(+III); Ti(+IV) y V(+V). Así ocurre en la práctica.
A continuación tiene una relación de los números de oxidación más comunes diferenciando entre metales y no metales
A.10. Los metales tienen números de oxidación positivos y los no metales los tienen negativos y positivos, ¿qué le sugiere ese hecho sobre sus capacidades de combinación?
Si los metales tienen números de oxidación positivos han de combinarse con no metales que los tienen negativos. Asimismo, los no metales podrán formar compuestos entre ellos porque pueden tener números de oxidación positivos y negativos.
El primer tipo de compuesto son las sales binarias, en las que un metal se combina con un no metal, por ejemplo el Ca con el S para formar CaS (sulfuro de calcio). El átomo de calcio pierde dominio sobre dos electrones y el S lo gana.
El segundo tipo de compuesto son las combinaciones binarias entre no metales, por ejemplo la formada entre el C y el Cl para formar CCl4 (tetracloruro de carbono). Casos particulares de estos compuestos son algunos óxidos y hidruros.
RELACIÓN ENTRE LOS NÚMEROS DE OXIDACIÓN Y LOS SUBÍNDICES DE LAS FÓRMULAS
Cálculo de los subíndices de la fórmula a partir de los números de oxidación
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 0. Si es un ion puede ser un número positivo o negativo.
La estrategia es sencilla. Veamos un ejemplo.
¿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 +I. 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 -I. 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
A.11. ¿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
A.12.¿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
A.13.¿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 y el oxígeno -2.
NxOy-
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-
Cálculo de los números de oxidación a partir de los subíndices de la fórmula
Es el problema inverso al que hemos analizado anteriormente.
A.14.¿Cuál es el número de oxidación del azufre en SBr4?
Esta sustancia molecular es un bromuro. Como la molécula es neutra y el bromo en los bromuros tiene su menor número de oxidación (-1), se ha de cumplir que:
0 = 1 (x) + 4 (-1)
El azufre tendrá número de oxidación +4, por tanto, su nombre será: bromuro de azufre(IV).
A.15.¿Cuál es el número de oxidación del nitrógeno en el ion nitrato NO3-?
Sabemos que la suma de todos los números de oxidación debe ser igual a -1 (la carga del ion). Por otra parte conocemos que el oxígeno tiene número de oxidación -2. En consecuencia, el nitrógeno debe tener número de oxidación +5.
DIFERENCIA ENTRE NÚMERO DE OXIDACIÓN Y NÚMERO DE CARGA
Cuando los átomos que se enlazan tienen mucha diferencia de electronegatividad se forman iones (compuesto iónico). Es el caso del enlace entre sodio y flúor.
En este caso el átomo de sodio pierde un electrón y se convierte en ion sodio Na+. Asimismo, el átomo de flúor gana un electrón y se convierte en ion flúor F-. En el NaF el sodio tiene número de oxidación +1 y número de carga +1. Por su parte el flúor tiene número de oxidación -1 y número de carga -1.
El número de carga es la carga eléctrica que tienen los iones que forman el compuesto. En este caso como el compuesto formado es iónico podemos definir el número de carga.
En el caso del fluoruro de hidrógeno la situación es diferente porque el enlace no es iónico. Aunque el F es más electronegativo que el H, la diferencia de electronegatividad no es suficiente como para que se produzca un trasvase de electrones entre los átomos que forme iones. Lo único que ocurre es que los electrones de enlace se encuentran más próximos al F que al H. Se forman, por tanto, pequeñas cargas eléctricas (negativa sobre el F y positiva sobre el H) pero el enlace es covalente, no hay iones.
En el HF el número de oxidación del F es -1 y el del H es +1, porque el F ha ganado dominio (aunque no completo) sobre un electrón y el H lo ha perdido. Sin embargo, al no haberse formado iones no puede hablarse de números de carga. En este caso el número de carga no está definido porque la sustancia no es iónica.
En definitiva, el número de oxidación siempre está definido y el número de carga solo lo está cuando la sustancia formada es iónica.
Importante: En los nombres de los compuestos los números de oxidación se indican en números romanos. Los números de carga en números arábigos.
Ejemplo: FeCl3
Cloruro de hierro(III)
Cloruro de hierro(3+)
-Electronegatividad y número de oxidación
- Combinación entre no metales
-Sales dobles y compuestos de adición