Operaciones básicas del proceso, mezclas y disoluciones. QUIE0108

8.5. Otras combinaciones binarias

Estas combinaciones resultan de la unión entre dos elementos, puediendo ser entre un metal y un no metal o bien entre dos elementos no metálicos. Si la unión se produce entre un elemento metálico y otro no metálico se originan las denominadas sales binarias.

Combinación binaria metal + no metal (sales binarias)

La fórmula química de las sales binarias es de la forma MnNm (n: valencia del no metal; m: valencia del metal), donde M es el símbolo químico del elemento metálico y N el símbolo químico del no metal.

A continuación, se escribe la forma de nombrar estos compuestos en las tres formas de nomenclatura:

1 Sistemática: prefijo (di, tri, tetra, etc.) indicando el número de átomos del no metal + raíz del elemento no metálico + terminación –uro + prefijo (di, tri, tetra, etc.) indicando el número de átomos del metal + nombre del elemento metálico.

2 Stock: raíz del elemento no metálico + terminación –uro + de + nombre del elemento metálico (valencia del metal, si actúa con más de una).

3 Tradicional: raíz del elemento no metálico + terminación –uro + raíz del elemento metálico + sufijo –ico u –oso en función de si el metal está actuando con la valencia mayor o menor, respectivamente.

Ejemplo

CoCl₂ (Dicloruro de cobalto; cloruro de cobalto (II); cloruro cobaltoso).

Fe₂S₃ (Trisulfuro de dihierro; sulfuro de hierro (III); sulfuro férrico).

Combinaciones binarias no metal–no metal

Son combinaciones entre dos elementos no metálicos. Se excluyen las combinaciones con el oxígeno y el hidrógeno previamente estudiadas.

Para escribir la fórmula química de este tipo de compuestos se especifica a la izquierda de la fórmula el elemento que se encuentre primero en la siguiente secuencia:

B , Si , C , Sb , As , P , N , H , Te , Se , S , At , I ,Br , Cl , O , F

Esta lista no coincide totalmente con la electronegatividad de los elementos, sobre todo por la situación del hidrógeno, pero en caso de duda, la IUPAC establece que se escriba primero el elemento más electronegativo.

A continuación, se escribe la forma de nombrar estos compuestos en su forma de nomenclatura: prefijo que indica el número de átomos del elemento escrito a la derecha + raíz del elemento + terminación –uro + nombre del elemento situado a la izquierda de la fórmula química.

Ejemplo

CCl₄ (Tetraclururo de carbono).

PF₅ (Pentafluoruro de fósforo).

8.6. Ácido oxoácidos (H_aN_bO_c)

Para obtener la fórmula química de estos compuestos se añade una o varias moléculas de agua al anhídrido correspondiente, en función del tipo de ácido del que se trate:

Ácidos META

Se añade una molécula de agua al anhídrido.

Para formular el ácido sulfúrico, por ejemplo, hay que formular el anhídrido sulfúrico y añadirle una molécula de agua. Como el sufijo usado es –ico, el NO del S es +6 y como el NO del oxígeno es -2, la fórmula del anhídrido sulfúrico es:

S₂O₆ = SO₃

Añadiéndole una molécula de agua se obtiene el ácido sulfúrico:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Al nombrar un ácido, si no se indica la palabra META u ORTO, se entiende que el ácido en cuestión es META, a excepción de los ácidos del fósforo y boro, que si carecen de indicación se entiende que son ácidos ORTO.

Ácidos ORTO

Se añaden tres moléculas de agua al anhídrido correspondiente, salvo en dos excepciones:

1 En el ácido ortoperyódico, que se añaden 5 moléculas de agua al anhídrido:I2O7 + 5 H2O = H10I2O12 = H5IO6

2 En el ácido ortosilícico, que se añaden 2 moléculas de agua al anhídrido:Si2O4 = SiO2 + 2 H2O = H4SiO4

Ejemplo

Ácido fosforoso:

P₂O₃ + 3 H₂O = H₆P₂O₆ = H₃PO₃

Ácido fosfórico:

P₂O₅ + 3 H₂O = H₆P₂O₈ = H₃PO₄

Ácidos PIRO o DI

Se obtienen por deshidratación -pérdida de una molécula de agua- del ácido correspondiente, es decir, de dos moléculas del ácido se pierde una molécula de agua.

Ejemplo

Fórmula del ácido pirosulfúrico o ácido disulfúrico. Se parte de la molécula de ácido sulfúrico (H2SO4), se multiplica dicha molécula por 2 y se le resta una molécula de agua:

2 H₂SO₄ – H₂O = H₂S₂O₇

A continuación, se escribe la forma de nombrar estos compuestos en su formas de nomenclatura:

1 Sistemática: leyendo de derecha a izquierda se escribe un prefijo indicando el número de átomos de oxígeno que hay en la molécula + terminación –oxo + raíz de nombre del no metal + terminación –ato + (valencia en números romanos del no metal) + de hidrógeno.

2 Tradicional: ácido + prefijo (hipo-, per-) si corresponde + raíz del nombre del no metal + sufijo –ico u –oso, en función del NO con el que actúa en no metal.

Dado un ácido de la forma H_aN_bO_c (siendo N el no metal), para determinar el N.O. de N, se hace uso de la siguiente relación:

Ejemplo

HClO (Monoxoclorato (I) de hidrógeno; ácido hipocloroso).

8.7. Hidróxidos

Son compuestos formados por la unión del anión OH^– y un catión metálico.

La fórmula química de los hidróxidos es de la forma M (OH)m (m: valencia del metal), donde M en el símbolo químico del metal.

A continuación, se escribe la forma de nombrar estos compuestos en sus formas de nomenclatura:

1 Sistemática: prefijo indicando el número de grupos OH – que hay en la molécula + hidróxido + nombre del metal.

2 Stock: hidróxido de + nombre del metal + (valencia en números romanos del metal, si tiene más de una).

3 Tradicional: hidróxido + raíz del nombre del metal + terminación -ico u –oso.

Ejemplo

Fe(OH)₃ (Trihidróxido de hierro; hidróxido de hierro (III); hidróxido férrico).

Ca(OH) (Monohidróxido de calcio; hidróxido de calcio; hidróxido cálcico).

8.8. Sales

Las sales son compuestos iónicos formados por la unión de un catión y un anión, que no sean OH^-, O^2- o H^-, ya que con estos iones se forman los hidróxidos, óxidos e hidruros, respectivamente.

Iones

Dentro de los iones se distinguen entre los iones con carga positiva denominados cationes y los iones con carga negativa denominados aniones, los cuales se estudian a continuación.

Cationes (iones con carga positiva)

La nomenclatura sería la siguiente:

1 Sistemática: catión + nombre del elemento + (valencia en números romanos, si el elemento tiene más de una).

2 Tradicional: catión + raíz del nombre del elemento + sufijo –ico u –oso, indicando la mayor o menor valencia, respectivamente. Si solo tiene una se usa el sufijo –ico.

Ejemplo

Ca²⁺ (Catión calcio; catión cálcico).

Fe²⁺ (Catión hierro (II); catión ferroso).

Los cationes poliatómicos protonados se nombran con la palabra catión (o ión) + raíz del nombre del elemento del que proceden + terminación –onio. Estos cationes proceden de la unión de un protón con un hidruro no metálico.

Ejemplo

NH₄+ (ión amonio, es una excepción ya que debería de ser nitronio); PH₄+ (ión fosfonio); H₃S+ (ión sulfonio); H₃O+ (ión oxonio), etc.

Aniones (iones con carga negativa)

Ahora se mostrará la forma de nombrar a los aniones, donde se hace distinción entre aniones procedentes de elementos no metálicos y aniones procedentes de ácidos oxoácidos.

1 Aniones procedentes de elementos no metálicos: anión + raíz del nombre del elemento + terminación –uro. Ejemplo: Cl – (anión cloruro); Br – (anión bromuro), etc.

2 Aniones procedentes de ácidos oxoácidos (estos aniones proceden del oxoácido correspondiente, el cual ha perdido sus hidrógenos):Sistemática: anión + prefijo indicando el número de átomos de oxígeno que hay en la molécula + terminación –oxo + raíz del nombre del no metal + terminación –ato + (valencia en números romanos del no metal).Tradicional: anión + igual que el ácido pero cambiando las terminaciones –ico por –ato y –oso por –ito.

Ejemplo

NO₃^– (Anión trioxonitrato (V); anión nitrato).

SO₃^2– (Anión trioxosulfato (IV); anión sulfito).

Sales ternarias

Son compuestos iónicos formados por la unión de un catión metálico y el anión procedente de un oxoácido, denominado anión oxoácido.

Para obtener la fórmula química de las sales terniarias se ha de seguir dos pasos:

1 En primer lugar, hay que identificar el ácido del cual proviene, teniendo en cuenta que la terminación –ato viene de –ico y la terminación –ito de –oso.

2 En segundo lugar, obtener el anión correspondiente e intercambiar las valencias con el catión metálico, dando lugar a la sal correspondiente.

Ejemplo

Formular el sulfato férrico:

1 Procede del ácido sulfúrico (–ato à – ico): H2SO4

2 H2SO4 →

2 H⁺ + SO₄^2– ; Fe³⁺ + SO₄^2– → Fe₂ (SO₄)₃

A continuación, se expone la forma de nombrar estos compuestos en sus formas de nomenclatura:

1 Sistemática: prefijo indicando el número de átomos de oxígeno que hay en la molécula + terminación –oxo + raíz del no metal + terminación –ato (valencia en números romanos del no metal) + de + nombre del metal + (valencia en números romanos del metal, si tiene más de una).

2 Tradicional: prefijo per– o hipo–, si corresponde + raíz del nombre del no metal + terminación –ato o –ito + raíz del nombre del metal + terminación –ico u –oso.

A veces, la fórmula está simplificada, entonces hay que probar con todas las posibles valencias del metal. Solo una de ellas hace que el ácido del que proviene sea correcto.

Ejemplo

FeSO₄ →

Fe²⁺ + SO₄^2–

(Tetraoxosulfato (VI) de hierro (II); sulfato ferroso).

Cu (NO₃)₂→

Cu²⁺ + NO₃^–

(Trioxonitrato (V) de cobre (II); nitrato cúprico).

Sales ácidas

Se dan cuando en el anión queda algún hidrógeno. La única excepción con respecto a las sales ternarias es que se nombran anteponiendo la palabra hidrógeno antes del anión.

Ejemplo

NaHCO₃ (Hidrogenotrioxocarbonato (IV) de sodio).

8.9. Peróxidos

Son combinaciones del anión peróxido O₂^2– con distintos cationes. Se siguen las mismas reglas de nomenclatura que en los óxidos, cambiando la palabra óxido por peróxido. Se ha de tener en cuenta que en NO del oxígeno en los peróxidos es de – 1.

Ejemplo

CuO₂ (Peróxido cúprico; peróxido de cobre (II)).

Cu₂O₂ (Peróxido cuproso; peróxido de cobre (I)).

Pb(O₂)₂ (Peróxido plúmbico; peróxido de plomo (IV)).

Cuando el anión peróxido se repite en una fórmula se escribe entre paréntesis.

9. Resumen

En este capítulo se ha estudiado cómo se clasifican y ordenan todos los elementos que están presentes en la naturaleza en lo que se conoce como tabla periódica. Tabla que esta compuesta por 7 filas denominadas períodos y 18 columnas denominadas grupos. Esta ordenación se corresponde con una serie de propiedades periódicas estudiadas en el capítulo, las cuales se recuerdan:

1 Radio atómico.

2 Potencial de ionización.

3 Afinidad electrónica.

4 Electronegatividad.

Se ha tratado la evolución del modelo atómico hasta llegar a la estructura atómica actual, donde las partículas que conforman el núcleo son los protones (carga +1) y neutrones (carga neutra) y en la corteza se encuentran orbitando en distintos niveles energéticos los electrones (carga -1).

En el último punto se ha profundizado en la formulación química inorgánica, en la cual se ha definido y especificado el número de oxidación para cada uno de los elementos más representativos que se combinan entre sí para dar compuestos.

Para cada tipo de compuesto se han estudiado las reglas de formulación y nomenclatura aceptadas por la IUPAC, para que, de este modo, el alumno sepa formular y nombrar correctamente en todas sus posibles formas. Los compuestos se agrupan en distintas familias en función de las combinaciones entre los elementos que los conforman, los cuales se recuerdan a continuación: sustancias simples; combinaciones binarias (hidruros, óxidos, sales binarias, etc.); ácidos oxoácidos; hidróxidos; iones (cationes y aniones); sales ternarias y peróxidos.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. Escriba la configuración electrónica del ión S2– e indique un catión y un anión que sean isoelectrónicos con el mismo.

2. Justifique cómo es el tamaño de un átomo con respecto a su anión y con respecto a su catión.

3. En la siguiente tabla se proporcionan las energías o potenciales de ionización (en electrovoltios eV) del litio, sodio y potasio .

1 ¿Por qué la primera energía de ionización es menor para el sodio que para el litio?

2 ¿Por qué la segunda energía de ionización es mucho mayor que la primera en cada elemento?

3 ¿Por qué no se proporciona el valor de la cuarta energía de ionización del litio?

4. Se tiene un átomo neutro con número atómico Z = 7 y número másico A = 14. Indique el número de partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones) que tiene de cada tipo y escriba su configuración electrónica.

5. ¿Cuál es el número máximo de electrones para los cuales se tienen los siguientes números cuánticos: n = 2, l = 0 y m = 0?

6. Se proporcionan los protones de los núcleos correspondientes a cinco elementos: A = 9, B =16, C = 17, D = 19, E = 20. Indique cuál es el más electronegativo y cuál posee menor energía de ionización.

7. De los siguientes conjuntos de números cuánticos (n, l, m, s), indique cuál o cuáles no pueden tener lugar:

(2, 1, 2, + ½); (3, 1, -1, + ½); (2, 2, 1, -½); (3, 2, -2, +½)

8. Ordene en orden creciente de sus radios atómicos (de menor a mayor tamaño) las siguientes especies atómicas: Ar, Ca2+ y Cl–, sabiendo que sus números atómicos son los siguientes: Ar = 18, Ca = 20, Cl = 17.

9. Formule los siguientes compuestos: nitrito de plata, hidróxido de magnesio, ácido bórico y permanganato de cobalto (II).

10. Nombre en todas las formas de nomenclatura los siguientes compuestos: Ca3(PO4)2, Br2O5, Sr(OH)2, CF4, As2O3.

Capítulo 2

Propiedades físico-químicas de la materia

1. Introducción

La química es la ciencia que estudia las propiedades y el comportamiento de todo lo que nos rodea, es decir, estudia todo aquello que posee una cierta masa y ocupa un volumen en el espacio, lo que se conoce como materia. La materia tiene unas propiedades que dependen no solo de los átomos que la forman, sino también de la disposición en el espacio de dichos átomos, que es lo que se conoce como la estructura molecular.

La química permite entender un gran número de procesos que están presentes en nuestras vidas a diario, en todos los campos de estudio, como son, por ejemplo, la ingeniería y la medicina. Gracias a la química y al estudio del comportamiento de la materia se puede dar respuesta a una gran variedad de necesidades que el ser humano actualmente tiene, como son la atención médica, necesidades básicas como la alimentación (producción de fertilizantes, plaguicidas, etc.), vestimenta (industria textil) y hogar (industria de materiales de construcción), la protección del medio ambiente, la producción de compuestos farmacéuticos, los cuales están directamente relacionados con una mejora en la salud de la personas, etc.

Aunque también es cierto que un mal uso de ciertos productos químicos puede dañar tanto a la salud humana, de animales y otros seres vivos, como al medio ambiente. Por eso se debe tener un buen conocimiento del comportamiento y de las propiedades de la materia (las cuales se estudian en este capítulo) que conforman los compuestos químicos, para hacer un uso responsable de los mismos.

2. Clasificación de la materia

La materia se puede clasificar en dos grandes grupos: dependiendo de estado físico en el que se encuentre (gas, líquido o sólido) y dependiendo de la composición de la misma (elemento, compuesto o mezcla). A continuación, se describe con detalle esta clasificación.

2.1. Estados de la materia

En función del estado en el que se encuentre la materia, esta presenta unas propiedades características determinadas, las cuales se describen a continuación:

1 En estado gaseoso: un gas no tiene ni forma ni volumen determinados, ajustándose al recipiente que lo contiene, es compresible; desde el punto de vista molecular, las moléculas que lo forman tienen una elevada energía cinética (energía de movimiento) y chocan frecuentemente entre sí y con las paredes del recipiente.

2 En estado líquido: un líquido tiene un volumen específico, pero no una forma determinada, adoptando la del recipiente que lo contiene. Es incompresible y a nivel molecular, las moléculas están más cerca unas de otras que en los gases, aun así tienen una cierta cantidad de movimiento, proporcionándoles la definición de fluido.

 

3 En estado sólido: un sólido tiene tanto forma como volumen determinados, son incompresibles y a nivel molecular, las moléculas están muy cerca unas de otras, fuertemente unidas, por lo que carecen prácticamente de cantidad de movimiento, haciendo que sea rígido.

2.2. Clasificación de la materia en función de la composición

En el diagrama de árbol que se muestra a continuación, se realiza una clasificación de la materia según la composición de la misma, donde se observa adecuadamente, en última instancia, que la materia se puede encontrar en forma de elemento, compuesto o mezcla.

Se estudian posteriormente las diferentes formas en las que se puede presentar la materia: mezclas (homogéneas y heterogéneas), sustancias puras, elementos y compuestos.

Mezclas heterogéneas y homogéneas

Toda la materia está constituida por mezclas de sustancias, cuya composición puede variar en función de los componentes que la forman, como por ejemplo un café con azúcar, un ron con cola, etc.

Cuando la mezcla no es uniforme en todos los puntos de su volumen, es decir, no presenta la misma composición y propiedades en todos los puntos, se dice que es una mezcla heterogénea. Sin embargo, cuando sí presenta la misma composición y propiedades en todos sus puntos, se trata de una mezcla homogénea, como el aire, compuesto en su mayor parte por oxígeno y nitrógeno, guardando siempre una proporción aproximada del 21% y 79%, respectivamente.

Ejemplo

Ejemplos de mezclas heterogéneas son algunas rocas como el granito, usado hasta hace poco en el acerado de las calles.

Disolución

Dentro de la mezcla homogénea, si esta tiene una composición variable se denomina disolución (realmente a las mezclas homogéneas como tales se las conoce por el nombre de disoluciones), y si, por el contrario, no es así, se estaría hablando de una sustancia pura.

Sustancias puras

Una sustancia pura es cualquier tipo de materia que presenta una composición y unas propiedades fijas en todos los puntos de la misma, como por ejemplo el agua. En función de si la sustancia pura se puede descomponer en otras sustancias más simples o no, se trata de un compuesto o un elemento, respectivamente.

Un elemento no se puede descomponer en sustancias más simples, dado que a nivel molecular está formado por una sola clase de átomos. Por el contrario, un compuesto sí se puede descomponer en sustancias más simples, ya que está formado por dos o más clases de átomos, es decir, por dos o más elementos.

Nota

El agua es un compuesto, dado que está formada por oxígeno y nitrógeno.

Elementos químicos

Actualmente se conocen 114 elementos químicos, recogidos en la tabla periódica, como se ha visto en el capítulo anterior. Cada uno de ellos está caracterizado por su símbolo químico.

Sabía que...

El cuerpo humano está compuesto en más del 90% por solo tres elementos: oxígeno (O), carbono (C) e hidrógeno (H).

Compuestos químicos

Un compuesto químico es fruto de la unión de dos o más elementos. A su vez, un compuesto químico se puede descomponer en los elementos que lo forman, por ejemplo, el agua se puede descomponer en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis, que básicamente consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de ella.

Estas combinaciones químicas entre elementos para formar compuestos se rigen por lo que se conoce como leyes ponderales, las cuales están basadas en la experimentación. Estas son:

1 Ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier: en cualquier reacción química que ocurra en un sistema cerrado (sistema donde no se pierde masa ni energía) la masa total de las sustancias existentes se conserva. O lo que es lo mismo, en una reacción química la masa de los reactivos (sustancias de partida) es la misma masa que la de los productos (sustancias finales).

2 Ley de las proporciones definidas o ley de Proust: cuando se combinan químicamente dos o más elementos para dar un determinado compuesto, siempre lo hacen en una proporción fija, con independencia de su estado físico y forma de obtención.

3 Ley de las proporciones múltiples o ley de Dalton: dos elementos pueden combinarse entre sí en más de una proporción para dar compuestos distintos. En ese caso, determinada cantidad fija de uno de ellos se combina con cantidades variables del otro elemento, de modo que las cantidades variables del segundo elemento guardan entre sí una relación de números enteros sencillos.

Aplicación práctica

En el amoníaco (NH3) el nitrógeno (N) y el hidrógeno (H) se encuentran en la relación:

Halle la cantidad de NH3 que se obtiene a partir de 2,87 g de hidrógeno.

SOLUCIÓN

Según la ley de proporciones definidas, se establece la siguiente relación:

por tanto, la cantidad de amoníaco que se obtiene es

13,29 + 2,87 = 16,16 g de NH₃

Aplicación práctica

Se tienen dos compuestos, ambos formados por dos elementos genéricos A y B. El primero de ellos tiene 18 g del elemento A por cada 26 g del compuesto y el segundo tiene una composición del 75% de A y un 25% de B. Compruebe si se cumple la ley de proporciones múltiples o de Dalton.

SOLUCIÓN

En el primer compuesto si la masa del compuesto es de 26 g y la masa del elemento A que lo conforma es de 18 g, la masa del elemento B es la diferencia:

m(B) = 26 – 18 = 8 g. Por tanto, la relación másica entre los dos elementos que forman el compuesto es

En el segundo compuesto se tiene una composición centesimal de los elementos A y B que lo forman, por tanto, si se toma una cantidad de 100 g de compuesto, 75 g son del elemento A (75%) y 25 g del elemento B (25%). Por lo que la relación másica entre ellos es

es decir,

cumpliéndose la ley de proporciones múltiples o de Dalton.

Aplicación práctica

Un chico va a la joyería a comprarle un anillo de oro blanco a su novia, el cual contiene dos elementos, oro (Au) y plata (Ag). El dependiente tiene dos piezas, que se diferencian en las cantidades relativas de oro y plata que contienen respectivamente, pero ambas tienen una composición uniforme. ¿Cómo se clasificaría entonces el oro blanco?

SOLUCIÓN

El oro blanco tiene una composición uniforme, por lo que se trata de una mezcla homogénea, pero su composición en una pieza y otra es distinta, por lo que no se trata de un compuesto, por tanto, se puede concluir que el oro blanco es una disolución sólida.