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UNIDAD 3: Compuestos Inorgánicos
CONTENIDOS: Concepto de número de oxidación. Reglas para asignar números de oxidación. Moléculas y fórmulas moleculares. Reacciones químicas y ecuaciones químicas. Compuestos inorgánicos: óxidos ácidos, óxidos básicos, oxoácidos, hidróxidos, sales de oxoácidos, hidruros, hidrácidos, sales de hidrácidos. Ecuaciones de formación. Balanceo de ecuaciones. Nomenclatura. Ionización. CONCEPTO DE NÚMERO O ESTADO DE OXIDACIÓN Es un número entero que representa la cantidad de electrones de valencia que un átomo utiliza al momento de enlazarse con otros átomos diferentes, suponiendo que todos los enlaces sean iónicos. Esto quiere decir, que significa el número de cargas que tendría el átomo en un compuesto iónico, ya que los átomos ganaron o perdieron electrones. Debido que los números de oxidación reflejan el número de electrones “transferidos”. Los números de oxidación permiten identificar, los elementos que se han oxidado (es decir, que han perdido electrones) y reducido (es decir, que han ganado electrones). Por un lado, los elementos que muestran un aumento en el número de oxidación, se han oxidado. Por otro lado, los elementos que muestran una disminución en el número de oxidación, se han reducido. Esto da lugar a la aparición de valores positivos y negativos para los números de oxidación. Además, pueden aparecer diferentes números de oxidación para un mismo elemento en diferentes compuestos. Al escribir números de oxidación, el signo siempre va a la izquierda del número, para distinguirlos de las cargas electrónicas reales, que se escriben con el signo a la derecha. Por ejemplo, en una reacción entre el bromo y el potasio, el potasio pasa de K a K
; su número de oxidación pasó de cero (0) a uno positivo (+ 1). Mientras
que el bromo pasa de Br 2 a Br
- ; su número de oxidación pasó de cero (0) a uno negativo (- 1) para cada átomo de bromo. REGLAS PARA ASIGNAR NÚMEROS DE OXIDACIÓN En algunos casos resulta sencillo obtener el número de oxidación de un elemento en un determinado compuesto. En cambio, puede haber situaciones más complejas, por lo que es necesario establecer un conjunto de reglas para aplicarlas de modo sistemático.
- Todo elemento en su estado libre (es decir, en estado no combinado) tiene un número de oxidación cero ( 0 ), incluyendo las moléculas diatómicas, ya que están en su estado natural. Por ejemplo, cada átomo en los metales (Fe, Li, Na, Hg), o cada átomo en los no metales (O 2 , F 2 , N 2 , S, P), tienen el mismo número de oxidación: cero. Esto significa que no ha habido una transferencia de electrones.
- Para los compuestos neutros, la suma de los números de oxidación de todos los átomos involucrados debe ser cero (0). Por ejemplo, para el Sulfato de Sodio (Na 2 SO 4 ) la suma es la siguiente:
- Para los iones monoatómicos (es decir, iones constituidos por un solo átomo), el número de oxidación es igual a la carga del ión. Por ejemplo, el ión Li+^ tiene un número de oxidación de +1; el ión Ba2+^ tiene un número de oxidación +2; el ión Fe3+^ tiene un número de oxidación +3; el ión I-^ tiene un número de oxidación -1; el ión O-2^ tiene un número de oxidación -2.
elementos, siempre en una proporción fija, de acuerdo con la ley de las proporciones definidas. Sin embargo, una molécula no siempre es un compuesto, el cual, por definición, está formado por dos o más elementos, de este modo, los compuestos que están formados por moléculas se denominan compuestos moleculares. Por ejemplo, el Hidrógeno gaseoso, es un elemento puro, pero consta de moléculas formadas por dos átomos de H cada una. Por otra parte, el agua es un compuesto molecular que contiene Hidrógeno y Oxígeno en una relación de dos átomos de H y un átomo de O. Al igual que los átomos, las moléculas son eléctricamente neutras. Una molécula diatómica está formada por dos átomos que pueden ser del mismo o diferente elemento. Los elementos que existen normalmente cómo moléculas diatómicas son el Hidrógeno, el Oxígeno, el Nitrógeno y los halógenos. Una molécula poliatómica está formada por más de dos átomos que pueden ser del mismo o diferente elemento. Las fórmulas químicas sirven para expresar la composición de las moléculas y los compuestos iónicos por medio de los símbolos químicos. Aquellas fórmulas químicas que sirven para expresar la composición de las moléculas, indicando los números y tipos de átomos que forman a la molécula, se denominan fórmulas moleculares. Por lo que, no solamente representan los elementos involucrados, sino también la proporción exacta en la cual se combinan los átomos en la unidad más pequeña de una sustancia. El subíndice numérico indica el número de átomos de cada elemento que están presentes. En el caso de no aparecer un subíndice para algún elemento, indica que sólo hay un átomo de dicho elemento en la molécula, de esta manera, se omite el subíndice “uno” de las fórmulas. La fórmula molecular de una sustancia resume su composición, pero no muestra cómo se unen los átomos para formar la molécula. Por lo que la fórmula estructural o desarrollada de una sustancia muestra cuáles átomos están unidos a cuáles dentro de la molécula. Los átomos involucrados se
representan con sus símbolos químicos, y se utilizan líneas para representar cada enlace covalente (cada para de electrones enlazados) que mantienen unidos a los átomos. Por lo general, una fórmula estructural no muestra la geometría real de la molécula, es decir, no se ven los ángulos de unión reales de los átomos. Las moléculas son demasiado pequeñas como para poder observarlas de manera directa, por ende, para facilitar la visualización se utilizan diversos modelos moleculares. Generalmente se utilizan dos tipos de estos modelos: los modelos de esferas y barras, y los modelos espaciales. Los modelos de esferas y barras muestran los átomos como esferas y los enlaces covalentes como varillas. Los ángulos de unión reales entre los átomos, que contribuyen a definir su geometría real molecular, son representados con exactitud. Todos los átomos (con excepción del hidrógeno) se representan con esferas del mismo tamaño. Cada átomo está representado por un color específico y en ocasiones los símbolos químicos de los elementos se pueden indicar en las esferas. Estos modelos, indican con claridad la distribución tridimensional de los átomos, sin embargo, no muestran bien la diferencia del tamaño de los átomos, por lo que las varillas exageran la distancia entre los átomos de una molécula. Los modelos espaciales otorgan una idea más realista de cómo se vería la molécula si se aumentara su escala. Muestran los átomos como esferas truncadas que se mantienen unidas de una manera fusionada, por lo que los enlaces covalentes no se ven. Los ángulos de unión reales entre los átomos, que contribuyen a definir su geometría real molecular, son más difíciles de ver que en los modelos de bolas y varillas. Todos los átomos se representan con esferas de
Descomposición: En este tipo de reacción sencilla, ocurre lo opuesto a una reacción de síntesis. Una sustancia sola (reactivo) reacciona y se separa para formar dos o más sustancias distintas (productos). Es la ruptura de un solo compuesto en dos o más componentes. Muchos compuestos se comportan de esta manera al calentarse Condensación o Deshidratación: En este tipo de reacción, se combinan dos o más moléculas y se elimina una molécula pequeña para formar una molécula más larga y grande. El agua es uno de los productos de este tipo de reacciones. Combustión: En este tipo de reacción rápida, generalmente un compuesto hidrocarburo (compuesto que sólo tiene carbono e hidrógeno) reacciona con el oxígeno. Son reacciones exotérmicas, que generalmente liberan calor y luz, produciendo una llama. En la mayoría de los casos, en este tipo de reacciones involucran al O 2 como reactivo y la combustión o quema de compuestos hidrocarburos, los cuales actúan como combustible de la reacción.
REDOX: se consideran como reacciones de transferencia de electrones. En este caso, puede haber uno o más átomos que cedan electrones a uno o más átomos que los aceptan. Por ende, el proceso por el cual una sustancia pierde electrones se denomina oxidación, por otra parte, el proceso por el cual una sustancia gana electrones se denomina reducción. Por ejemplo, cuando se combina el bromo con el potasio, el potasio se oxida (pierde electrones) y el bromo se reduce (gana electrones). Esto sucede debido a la diferencia de electronegatividad de ambos elementos. Sin embargo, los conceptos de oxidación y reducción no caracterizan adecuadamente a la formación del cloruro de hidrógeno (HCl) ni del dióxido de azufre (SO 2 ), ya que no son compuestos iónicos, sino moleculares, por lo que hay una transferencia parcial de electrones. Por último, las reacciones de adición, descomposición, combustión y de desplazamiento son tipos de reacción redox. Las reacciones químicas pueden representarse de forma abreviada y simbólica a través de una ecuación química, la cual sirve para mostrar de forma concisa qué sucede durante una reacción química. En una ecuación química, el signo “+” significa “reacciona con” y la flecha
COMPUESTOS INÓRGANICOS
Los compuestos inorgánicos son todos aquellos que están formados por distintos elementos, pero en los que su componente principal no siempre es el Carbono. En los compuestos inorgánicos participan casi la totalidad de elementos conocidos. COMPUESTOS BINARIOS OXÍGENADOS (ÓXIDOS BÁSICOS - ÓXIDOS ÁCIDOS): Los Óxidos son compuestos que resultan de la combinación entre oxígeno (O 2 ) con cualquier elemento de la tabla periódica, ya sea un metal (Óxidos Básicos) o un no metal (Óxidos Ácidos). ÓXIDOS BÁSICOS: Son compuestos binarios iónicos que se forman a partir de
la combinación entre dos elementos, un METAL y OXÍGENO. Cuando el metal reacciona directamente con el O 2 del aire forma Óxidos Metálicos o Básicos, que son compuestos iónicos, ya que hay una transferencia de electrones. El metal transfiere electrones al oxígeno, para formar un enlace iónico entre el catión metálico y el anión del oxígeno. La ecuación general de estos compuestos sería de la siguiente manera: La NOMENCLATURA QUÍMICA de estos compuestos es la siguiente: Por un lado, cuando el metal tiene un solo número de oxidación se nombra cómo ÓXIDO seguido de “DE” y del metal correspondiente. Por ejemplo, Óxido de Calcio (CaO) u Óxido de Sodio (Na 2 O). Por otro lado, cuando el metal tiene más de un número de oxidación se nombra como ÓXIDO del metal terminado en OSO, si el metal utiliza su menor número de oxidación, u ÓXIDO del metal terminado en ICO, si el metal utiliza su mayor número de oxidación. Por ejemplo, como sucede con el Hierro, se nombra Óxido Ferroso (FeO) cuando utiliza el número de oxidación más pequeño (+2), u Óxido Férrico (Fe 2 O 3 ) cuando utiliza el número de oxidación más grande (+3). Además, el elemento menos electronegativo se coloca a la izquierda de la fórmula. Por lo que la fórmula general quedaría de la siguiente manera: Mn On. En una ecuación de formación de un Óxido Básico, existen dos partes: los reactivos, ubicados a la izquierda de la flecha, y el producto, ubicado a la derecha de la flecha. Por un lado, en la parte de los reactivos, se deben escribir el símbolo químico del metal más el oxígeno (O 2 ). Por otro lado, en la parte del producto, se debe escribir la fórmula química del Óxido Básico que se ha producido en la reacción. Para que la ecuación esté balanceada se debe
de oxidación más grande (+4). En cambio, cuando el no metal tiene más de dos números de oxidación se nombra combinando sufijos y prefijos. Por ejemplo, como sucede con el Azufre, Cloro, Bromo o el Yodo, que se nombran de la siguiente forma: Azufre: S (+2) = Óxido Hiposulfuroso (SO) S (+4) = Óxido Sulfuroso (SO 2 ) S (+6) = Óxido Sulfúrico (SO 3 ) Cloro: Cl (+1) = Óxido Hipocloroso (Cl 2 O) Cl (+3) = Óxido Cloroso (Cl 2 O 3 ) Cl (+5) = Óxido Clórico (Cl 2 O 5 ) Cl (+7) = Óxido Perclórico (Cl 2 O 7 ) Bromo: Br (+1) = Óxido Hipobromoso (Br 2 O) Br (+3) = Óxido Bromoso (Br 2 O 3 ) Br (+5) = Óxido Brómico (Br 2 O 5 ) Br (+7) = Óxido Perbrómico (Br 2 O 7 ) Yodo: I (+1) = Óxido Hipoyodoso (I 2 O) I (+3) = Óxido Yodoso (I 2 O 3 ) I (+5) = Óxido Yódico (I 2 O 5 ) I (+7) = Óxido Periódico (I 2 O 7 ) Además, el elemento menos electronegativo se coloca a la izquierda de la fórmula. Por lo que la fórmula general quedaría de la siguiente manera: NMn On (excepto cuando el Oxígeno se combina con el Flúor, ya que en este caso el Oxígeno iría a la izquierda). En una ecuación de formación de un Óxido Ácido, existen dos partes: los reactivos, ubicados a la izquierda de la flecha, y el producto, ubicado a la derecha
de la flecha. Por un lado, en la parte de los reactivos, se deben escribir el símbolo químico del no metal más el oxígeno (O 2 ). Por otro lado, en la parte del producto, se debe escribir la fórmula química del Óxido Ácido que se ha producido en la reacción. Para que la ecuación esté balanceada se debe balancear cada tipo de átomo sucesivamente, ajustando los coeficientes según sea necesario. Si la ecuación está bien realizada y balanceada, indica que el no metal reacciona con el oxígeno y produce un Óxido Ácido. ÓXIDOS CUANDO SE COMBINAN CON AGUA (HIDRÓXIDOS O BASES
- OXOÁCIDOS): Los Hidróxidos u Oxoácidos son compuestos que resultan de la combinación entre un Óxido con agua (H 2 O), ya sea sea un Óxido Básico (Hidróxidos o Bases) o un Óxido Ácido (Oxoácidos). HIDRÓXIDOS O BASES: Son compuestos terciarios iónicos que se forman a partir de la combinación entre tres elementos, cuando los Óxidos Básicos se encuentran en presencia de agua. Las Bases son sustancias que reaccionan con los iones de Hidrógeno cuando se combinan con agua y se producen oxidrilos (OH). Estos mismos, son grupos funcionales formados por un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno. El número de oxidación del oxígeno es -2 y el del hidrógeno es +1, por ende, los oxidrilos poseen un número de oxidación que siempre es -1. La ecuación general de estos compuestos sería de la siguiente
óxido básico reacciona con el agua y produce un Hidróxido o Base. OXOÁCIDOS: Son compuestos terciarios iónicos que se forman a partir de la combinación entre tres elementos, cuando los Óxidos Ácidos se encuentran en presencia de agua. Los Oxoácidos son sustancias que reaccionan con los iones de Hidrógeno cuando se combinan con agua. La ecuación general de estos compuestos sería de la siguiente manera: La NOMENCLATURA QUÍMICA de estos compuestos es la siguiente: Se nombra como ÁCIDO del óxido ácido que le dio origen. Por ejemplo, los siguientes oxoácidos se denominan de la siguiente forma: Ácido de Boro (H 3 BO 3 ), proviene del Óxido de Boro (B 2 O 3 ). Ácido de Silicio (H 4 SiO 4 ), proviene del Óxido de Silicio (SiO 2 ). Ácido Hipocloroso (HClO), proviene del Óxido Hipocloroso (CL 2 O) Ácido Cloroso (HClO 2 ), proviene del Óxido Cloroso (Cl 2 O 3 ). Ácido Clórico (HClO 3 ), proviene del Óxido Clórico (Cl 2 O 5 ). Ácido Perclórico (HClO 4 ), proviene del Óxido Perclórico (Cl 2 O 7 ). Ácido Hiposulfuroso (H 2 SO 2 ), proviene del Óxido Hiposulfuroso (SO). Ácido Sulfuroso (H 2 SO 3 ), proviene del Óxido Sulfuroso (SO 2 ). Ácido Sulfúrico (H 2 SO 4 ), proviene del Óxido Sulfúrico (SO 3 ). Además, en este tipo de compuestos terciarios, el hidrógeno se coloca a la izquierda, el no metal en el medio y el oxígeno a la derecha de la fórmula. Por lo que la fórmula general quedaría de la siguiente manera: Hn NMn On.
En una ecuación de formación de un Oxoácido, existen dos partes: los reactivos, ubicados a la izquierda de la flecha, y el producto, ubicado a la derecha de la flecha. Por un lado, en la parte de los reactivos, se deben escribir la fórmula química del óxido ácido más el agua (H 2 O). Por otro lado, en la parte del producto, se debe escribir la fórmula química del Oxoácido que se ha producido en la reacción. Para que la ecuación esté balanceada se debe balancear cada tipo de átomo sucesivamente, ajustando los coeficientes según sea necesario. Si la ecuación está bien realizada y balanceada, indica que el óxido ácido reacciona con el agua y produce un Oxoácido. COMPUESTOS BINARIOS HIDROGENADOS (HIDRUROS METÁLICOS Y NO METÁLICOS - HIDRÁCIDOS): Los Hidruros son compuestos que resultan de la combinación entre hidrógeno (H 2 ) con cualquier elemento de la tabla periódica, ya sea un metal (Hidruros Metálicos) o un no metal (Hidruros No Metálicos). Algunos Hidruros No Metálicos se denominan Hidrácidos en solución acuosa.
número de oxidación del metal. Además, el elemento menos electronegativo se coloca a la izquierda de la fórmula, por ende, el metal se coloca a la izquierda y el hidrógeno a la derecha de la fórmula, ya que generalmente los metales tienden a ser menos electronegativos que el hidrógeno. Por lo que la fórmula general quedaría de la siguiente manera: Mn Hn. En una ecuación de formación de un Hidruro Metálico, existen dos partes: los reactivos, ubicados a la izquierda de la flecha, y el producto, ubicado a la derecha de la flecha. Por un lado, en la parte de los reactivos, se deben escribir el símbolo químico del metal más el hidrógeno (H 2 ). Por otro lado, en la parte del producto, se debe escribir la fórmula química del Hidruro Metálico que se ha producido en la reacción. Para que la ecuación esté balanceada se debe balancear cada tipo de átomo sucesivamente, ajustando los coeficientes según sea necesario. Si la ecuación está bien realizada y balanceada, indica que el metal reacciona con el hidrógeno y produce un Hidruro Metálico. HIDRUROS NO METÁLICOS: Son compuestos binarios covalentes que se forman a partir de la combinación entre dos elementos, un NO METAL e HIDRÓGENO. Cuando el no metal reacciona directamente con el H 2 forma Hidruros No Metálicos, que son compuestos covalentes, ya que hay una
compartición de pares de electrones. El no metal comparte un electrón al hidrógeno y éste, comparte su único electrón al no metal, para formar un enlace covalente entre los dos. Los Hidruros No Metálicos son pocos, ya que cada uno de los No Metales va a formar un Hidruro No Metálico solamente con su menor número de oxidación. La ecuación general de estos compuestos sería de la siguiente manera: La NOMENCLATURA QUÍMICA de estos compuestos es la siguiente: se utiliza el nombre del NO METAL seguido de URO y de “DE HIDRÓGENO”. Por ejemplo, Cloruro de Hidrógeno (HCl), Sulfuro de Hidrógeno (H 2 S), Seleniuro de Hidrógeno (H 2 Se) o Ioduro de Hidrógeno (HI). Tiene que haber una misma cantidad de átomos de hidrógeno que del número de oxidación del no metal. Además, el elemento menos electronegativo se coloca a la izquierda de la fórmula, por ende, el hidrógeno se coloca a la izquierda y el no metal a la derecha de la fórmula, ya que generalmente los no metales tienden a ser más electronegativos que el hidrógeno. Por lo que la fórmula general quedaría de la siguiente manera: Hn NMn. En una ecuación de formación de un Hidruro No Metálico, existen dos partes: los reactivos, ubicados a la izquierda de la flecha, y el producto, ubicado a la derecha de la flecha. Por un lado, en la parte de los reactivos, se deben escribir el símbolo químico del no metal más el hidrógeno (H 2 ). Por otro lado, en la parte del producto, se debe escribir la fórmula química del Hidruro No Metálico que se ha producido en la reacción. Para que la ecuación esté balanceada se debe balancear cada tipo de átomo sucesivamente, ajustando los coeficientes según sea necesario. Si la ecuación está bien realizada y balanceada, indica que el no metal reacciona con el hidrógeno y produce un Hidruro No Metálico.
