Atomos, Moleculas e Iones

Imgenes de la emisin radiactiva del radio (Ra). Los modelos muestran el ncleo del radio y los productos de su descomposicin radiactiva: radn (Rn) y una partcula alfa, la cual tiene dos protones y dos neutrones. El estudio de la radiactividad ayud a mejorar el conocimiento de los cienticos acerca de la estructura atmica.

tomos, molculas y iones

16 CAPTULO 2 tomos, molculas y iones

2.1 Teora atmica

En el siglo v a.C., el ilsofo griego Demcrito expres la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partculas pequeas e indivisibles que llam tomos (que signiica in-destructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demcrito no fue aceptada por muchos de sus contemporneos (entre ellos Platn y Aristteles), sta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones cienticas apoyaron el concepto del atomismo, lo que condujo, de manera gradual, a las deiniciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, el cientico ingls, profesor John Dalton,1 formul una deinicin precisa de las unidades indivisibles con las que est formada la materia y que llamamos tomos.

El trabajo de Dalton marc el principio de la era de la qumica moderna. Las hiptesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teora atmica de Dalton, pueden resu-mirse como sigue:

1. Los elementos estn formados por partculas extremadamente pequeas llamadas to-mos.

2. Todos los tomos de un mismo elemento son idnticos, tienen igual tamao, masa y pro-piedades qumicas. Los tomos de un elemento son diferentes a los tomos de todos los dems elementos.

3. Los compuestos estn formados por tomos de ms de un elemento. En cualquier com-puesto, la relacin del nmero de tomos entre dos de los elementos presentes siempre es un nmero entero o una fraccin sencilla.

4. Una reaccin qumica implica slo la separacin, combinacin o reordenamiento de los tomos; nunca supone la creacin o destruccin de los mismos.

En la igura 2.1 se muestra una representacin esquemtica de las tres ltimas hiptesis.El concepto de Dalton sobre un tomo es mucho ms detallado y especico que el con-

cepto de Demcrito. La segunda hiptesis establece que los tomos de un elemento son dife-rentes de los tomos de todos los dems elementos. Dalton no intent describir la estructura o composicin de los tomos. Tampoco tena idea de cmo era un tomo, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrgeno y el oxgeno slo se puede explicar a partir de la idea de que los tomos de hidrgeno son distintos de los tomos de oxgeno.

La tercera hiptesis sugiere que para formar determinado compuesto no slo se necesi-tan los tomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un nmero especico de dichos tomos. Esta idea es una extensin de una ley publicada en 1799 por el qumico

1 John Dalton (1766-1844). Qumico, matemtico y ilsofo ingls. Adems de la teora atmica, tambin formul varias leyes sobre los gases y proporcion la primera descripcin detallada de la ceguera al color, la cual padeca. Se ha descrito a Dalton como un experimentador indiferente con muy pocas habilidades en las reas del lenguaje y la ilustracin. Su nico pasatiempo era el juego de bolos en csped los jueves por la tarde. Tal vez la visin de esos bolos de madera fue lo que inspir su idea de la teora atmica.

Figura 2.1 a) De acuerdo con la teora atmica de Dalton, los tomos del mismo elemento son idnticos, pero los tomos de un elemento son distintos de los tomos de otros. b) Compuesto formado por tomos de los elementos X y Y. En este caso, la proporcin de los tomos del elemento X con respecto a la del elemento Y es de 2:1. Observe que la reaccin qumica produce slo un reordenamiento de tomos, no su destruccin o creacin.

b)

Compuestos formados por los elementos X y Ytomos del elemento X tomos del elemento Y

a)

172.2 Estructura del tomo

francs Joseph Proust.2 La ley de las proporciones deinidas de Proust establece que muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporcin de masa. As, si se analizan muestras de dixido de carbono gaseoso obtenidas de diferentes fuentes, en todas las muestras se encontrar la misma proporcin de masa de carbono y oxgeno. Entonces, si la proporcin de las masas de los diferentes elementos de un compuesto es una cantidad ija, la proporcin de los tomos de los elementos en dicho com-puesto tambin debe ser constante.

La tercera hiptesis de Dalton conirma otra importante ley, la ley de las proporciones mltiples. Segn esta ley, si dos elementos pueden combinarse para formar ms de un com-puesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa ija del otro mantiene una relacin de nmeros enteros pequeos. La teora de Dalton explica la ley de las propor-ciones mltiples de manera muy sencilla: diferentes compuestos formados por los mismos elementos diieren en el nmero de tomos de cada clase. Por ejemplo, el carbono forma dos compuestos estables con el oxgeno, llamados monxido de carbono y dixido de carbono. Las tcnicas modernas de medicin indican que un tomo de carbono se combina con un tomo de oxgeno en el monxido de carbono, y con dos tomos de oxgeno en el dixido de carbono. De esta manera, la proporcin de oxgeno en el monxido de carbono y en el dixido de carbono es 1:2. Este resultado concuerda con la ley de las proporciones mltiples (igura 2.2).

La cuarta hiptesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la conservacin de la masa,3 la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. Debido a que la materia est formada por tomos, que no cambian en una reaccin qumica, se concluye que la masa tambin se debe conservar. La brillante idea de Dalton sobre la naturaleza de la materia fue el principal estmulo para el rpido progreso de la qumica durante el siglo xix.

Revisin de conceptosLos tomos de los elementos A (en color) y B (gris) forman los dos compuestos mostrados aqu. Estos compuestos obedecen la ley de las proporciones mltiples?


Con base en la teora atmica de Dalton, un tomo se deine como la unidad bsica de un elemento que puede intervenir en una combinacin qumica. Dalton describi un tomo como una partcula extremadamente pequea e indivisible. Sin embargo, una serie de investigacio-nes iniciadas alrededor de 1850, y que continuaron hasta el siglo xx, demostraron claramente que los tomos tienen una estructura interna, es decir, que estn formados por partculas an ms pequeas, llamadas partculas subatmicas. Estas investigaciones condujeron al descu-brimiento de tres partculas: electrones, protones y neutrones.

Figura 2.2 Ilustracin de la ley de las proporciones mltiples.

Monxido de carbono

Dixido de carbono

OC

21

OC

11

5 5

5 5

Oxgeno en el monxido de carbono en relacin con el oxgeno en el dixido de carbono: 1:2

2 Joseph Louis Proust (1754-1826). Qumico francs. Fue el primero en aislar el azcar de las uvas.3 De acuerdo con Albert Einstein, la masa y la energa son aspectos alternos de una entidad nica denominada masa-energa. Por lo comn, las reacciones qumicas implican una ganancia o prdida de calor u otras formas de energa. As, cuando la energa se pierde en una reaccin, por ejemplo, tambin se pierde masa. No obstante, salvo en el caso de las reacciones nucleares, los cambios de masa en las reacciones qumicas son demasiado pequeos para ser detec-tados. Por consiguiente, para ines prcticos, la masa se conserva.


El electrn

En la dcada de 1890, muchos cienticos estaban interesados en el estudio de la radiacin, la emisin y transmisin de la energa a travs del espacio en forma de ondas. La informacin obtenida por estas investigaciones contribuy al conocimiento de la estructura atmica. Para investigar este fenmeno se utiliz un tubo de rayos catdicos, precursor de los tubos utiliza-dos en los televisores (igura 2.3). Consta de un tubo de vidrio del cual se ha evacuado casi todo el aire. Si se colocan dos placas metlicas y se conectan a una fuente de alto voltaje, la placa con carga negativa, llamada ctodo, emite un rayo invisible. Este rayo catdico se dirige hacia la placa con carga positiva, llamada nodo, que pasa por una perforacin y contina su trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayo alcanza la supericie, recubierta de una manera especial, produce una fuerte uorescencia o luz brillante.

En algunos experimentos se colocaron, por fuera del tubo de rayos catdicos, dos pla-cas cargadas elctricamente y un electroimn (vea la igura 2.3). Cuando se conecta el cam-po magntico y el campo elctrico permanece desconectado, los rayos catdicos alcanzan el punto A del tubo. Cuando est conectado solamente el campo elctrico, los rayos lle- gan al punto C. Cuando tanto el campo magntico como el elctrico estn desconectados, o bien cuando ambos estn conectados pero se balancean de forma que se cancelan mutuamente, los rayos alcanzan el punto B. De acuerdo con la teora electromagntica, un cuerpo cargado, en movimiento, se comporta como un imn y puede interactuar con los campos magnticos y elctricos que atraviesa. Debido a que los rayos catdicos son atrados por la placa con carga positiva y repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en partculas con carga negativa. Actualmente, estas partculas con carga negativa se conocen como electrones. En la igura 2.4 se muestra el efecto de un imn sobre los rayos catdicos.

El fsico ingls J. J. Thomson4 utiliz un tubo de rayos catdicos y su conocimiento de la teora electromagntica para determinar la relacin entre la carga elctrica y la masa de un electrn. El nmero que obtuvo fue de 21.76 3 108 C/g, en donde C corresponde a coulombs, la unidad de carga elctrica. Ms tarde, entre 1908 y 1917, R. A. Millikan5 llev a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrn con gran precisin. Su trabajo demostr que la carga de cada electrn era exactamente la misma. En su experimento, Millikan analiz el movimiento de minsculas gotas de aceite que adquiran carga esttica a partir de los iones del aire. Suspenda en el aire las gotas cargadas mediante la aplicacin de un campo elctrico

Figura 2.3 Tubo de rayos cat-dicos con un campo elctrico perpendicular a la direccin de los rayos catdicos y un campo magntico externo. Los smbolos N y S denotan los polos norte y sur del imn. Los rayos catdicos golpearn el extremo del tubo en el punto A en presencia de un campo magntico, en el punto C en presencia de un campo elctrico y en el punto B cuando no existan campos externos presentes o cuando los efectos del campo elctrico y del campo magntico se cancelen mutua-mente.

Alto voltaje

+

nodo CtodoA

B

C

S

N

Pantalla uorescente

Los electrones por lo general se asocian con los tomos. No obstante, tambin se pueden estudiar por separado.

4 Joseph John Thomson (1856-1940). Fsico britnico, recibi el premio Nobel de Fsica en 1906 por ser quien des-cubri el electrn.5 Robert Andrews Millikan (1868-1953). Fsico estadounidense, merecedor del premio Nobel de Fsica en 1923 por determinar la carga del electrn.


y segua su movimiento con un microscopio (igura 2.5). Al aplicar sus conocimientos sobre electrosttica, Millikan encontr que la carga de un electrn es de 21.6022 3 10219 C. A partir de estos datos calcul la masa de un electrn:

masa de electrncarga

carga/masa

1.6022 10

5

53 19

8

C

1.76 10 C/g

g

3

5 39 10 10 28.

ste es un valor de masa extremadamente pequeo.

Radiactividad

En 1895, el fsico alemn Wilhelm Rntgen6 observ que cuando los rayos catdicos incidan sobre el vidrio y los metales, hacan que stos emitieran unos rayos desconocidos. Estos rayos muy energticos eran capaces de atravesar la materia, oscurecan las placas fotogricas, in-cluso cubiertas, y producan uorescencia en algunas sustancias. Debido a que estos rayos no eran desviados de su trayectoria por un imn, no podan contener partculas con carga, como los rayos catdicos. Rntgen les dio el nombre de rayos X, por su naturaleza desconocida.

Figura 2.4 a) Rayo catdico producido en un tubo de descarga. El rayo en s mismo es invisible, pero la fluorescencia de un recubrimiento de sulfuro de zinc en el cristal provoca su apariencia verdosa. b) El rayo catdico se inclina hacia abajo cuando se le acerca el polo norte del imn. c) Cuando la polaridad del imn se invierte, el rayo se inclina hacia la direccin opuesta.

a) b) c)

Figura 2.5 Diagrama esquemtico del experimento de Millikan de la gota de aceite.

6 Wilhelm Konrad Rntgen (1845-1923). Fsico alemn que recibi el premio Nobel de Fsica en 1901 por el descu-brimiento de los rayos X.

Atomizador

Visor del microscopio

Placa cargada

Rayos X para producir la carga en las gotas de aceite

(2)

Oriicio pequeo

(1)

Placa cargada Gotas de aceite


Poco despus del descubrimiento de Rntgen, Antoine Becquerel,7 profesor de fsica en Pars, empez a estudiar las propiedades uorescentes de las sustancias. Accidentalmente en-contr que algunos compuestos de uranio oscurecan las placas fotogricas cubiertas, incluso en ausencia de rayos catdicos. Al igual que los rayos X, los rayos provenientes de los com-puestos de uranio resultaban altamente energticos y no los desviaba un imn, pero diferan de los rayos X en que se emitan de manera espontnea. Marie Curie,8 discpula de Becquerel, sugiri el nombre de radiactividad para describir esta emisin espontnea de partculas o radiacin. Desde entonces se dice que un elemento es radiactivo si emite radiacin de manera espontnea.

La desintegracin o descomposicin de las sustancias radiactivas, como el uranio, produ-ce tres tipos de rayos diferentes. Dos de estos rayos son desviados de su trayectoria por placas metlicas con cargas opuestas (igura 2.6). Los rayos alfa (a) constan de partculas cargadas positivamente, llamadas partculas a, que se apartan de la placa con carga positiva. Los rayos beta (b), o partculas b, son electrones y se alejan de la placa con carga negativa. Un tercer tipo de radiacin consta de rayos de alta energa, llamados rayos gamma (g). Al igual que los rayos X, los rayos g no presentan carga y no les afecta un campo externo.

El protn y el ncleo

Desde principios de 1900 ya se conocan dos caractersticas de los tomos: que contienen electrones y que son elctricamente neutros. Para que un tomo sea neutro debe contener el mismo nmero de cargas positivas y negativas. Thomson propuso que un tomo poda visua-lizarse como una esfera uniforme cargada positivamente, dentro de la cual se encontraban los electrones como si fueran las pasas en un pastel (igura 2.7). Este modelo, llamado modelo del pudn de pasas, se acept como una teora durante algunos aos.

Figura 2.6 Tres tipos de rayos emitidos por elementos radiac-tivos. Los rayos b consisten en partculas con carga negativa (electrones), y por ende son atrados hacia la placa con carga positiva. Por lo contrario, los rayos a tienen carga positiva y son atrados hacia la placa con carga negativa. Debido a que los rayos g no tienen carga alguna, su trayectoria no se ve alterada por un campo elctrico externo.

Figura 2.7 Modelo atmico de Thomson, conocido como el modelo del pudn de pasas, por su semejanza con un postre tradicional ingls hecho con pasas. Los electrones estn insertos en una esfera uniforme con carga positiva.

La carga positiva est dispersa sobre la esfera completa

7 Antoine Henri Becquerel (1852-1908). Fsico francs a quien se le otorg el premio Nobel de Fsica en 1903 por el descubrimiento de la radiactividad del uranio.8 Marie (Marya Sklodowska) Curie (1867-1934). Qumica y fsica nacida en Polonia. En 1903, ella y su esposo fran-cs, Pierre Curie, fueron galardonados con el premio Nobel de Fsica por su trabajo sobre la radiactividad. En 1911, una vez ms fue merecedora de ese premio, pero esta vez en Qumica, por su trabajo sobre los elementos radiactivos radio y polonio. Ella es una de las tres personas que han recibido dos premios Nobel en Ciencias. A pesar de su gran contribucin a la ciencia, su nominacin a la Academia Francesa de Ciencias en 1911 fue rechazada por un voto debido a que era mujer! Su hija Irene, y su yerno Frederic Joliot-Curie, compartieron el premio Nobel de Qumica en 1935.

+

a

g

b

Sustancia radiactiva

Cmara de plomo


En 1910, el fsico neozelands Ernest Rutherford,9 quien estudi con Thomson en la Universidad de Cambridge, utiliz partculas a para demostrar la estructura de los tomos. Junto con su colega Hans Geiger10 y un estudiante de licenciatura llamado Ernest Marsden,11 Rutherford efectu una serie de experimentos utilizando lminas muy delgadas de oro y de otros metales, como blanco de partculas a provenientes de una fuente radiactiva (igura 2.8). Observaron que la mayora de las partculas atravesaban la lmina sin desviarse, o bien con una ligera desviacin. De cuando en cuando, algunas partculas a eran dispersadas (o desvia-das) de su trayectoria con un gran ngulo. En algunos casos, las partculas a regresaban por la misma trayectoria hacia la fuente radiactiva! ste fue el descubrimiento ms sorprendente, pues segn el modelo de Thomson, la carga positiva del tomo era tan difusa que se esperara que las partculas a atravesaran las lminas sin desviarse o con una desviacin mnima. El comentario de Rutherford sobre este descubrimiento fue el siguiente: Result tan increble como si usted hubiera lanzado una bala de 15 pulgadas hacia un trozo de papel de seda y la bala se hubiera regresado hacia usted.

Tiempo despus, Rutherford pudo explicar los resultados del experimento de la dispersin de partculas a utilizando un nuevo modelo de tomo. De acuerdo con Rutherford, la mayor parte de los tomos debe ser espacio vaco. Esto explica por qu la mayora de las partculas a atravesaron la lmina de oro sufriendo poca o ninguna desviacin. Rutherford propuso que las cargas positivas de los tomos estaban concentradas en un denso conglomerado central dentro del tomo, que llam ncleo. Cuando una partcula a pasaba cerca del ncleo en el experimento, actuaba sobre ella una gran fuerza de repulsin, lo que originaba una gran des-viacin. Adems, cuando una partcula a incida directamente sobre el ncleo, experimentaba una repulsin tan grande que su trayectoria se inverta por completo.

Las partculas del ncleo que tienen carga positiva reciben el nombre de protones. En otros experimentos se encontr que los protones tienen la misma cantidad de carga que los electrones y que su masa es de 1.67262 10224 g, aproximadamente 1 840 veces la masa del electrn con carga opuesta.

Hasta este punto, los cienticos visualizaban el tomo de la siguiente manera: la masa del ncleo constituye la mayor parte de la masa total del tomo, pero el ncleo ocupa slo 1/1013 del volumen total del tomo. Las dimensiones atmicas (y moleculares) se expresarn aqu de acuerdo con la unidad del sistema internacional de medidas llamado picmetro (pm), donde

1 pm 5 1 3 10212 m

Ranura

a) b)

Lmina de oro

Pantalla de deteccin

Emisor de partculas a

Figura 2.8 a) Diseo experimental de Rutherford para medir la dispersin de las partculas a mediante una lmina de oro. La mayora de las partculas a atravesaron la lmina de oro con poca o ninguna desviacin. Algunas se desviaron con un ngulo grande. En ocasiones alguna partcula a invierte su trayectoria. b) Esquema amplificado de la trayectoria de las partculas a al atravesar o ser desviadas por los ncleos.

Una unidad comn que no est incluida en el sistema internacional de medidas es el ngstrom (; 1 = 100 pm).

9 Ernest Rutherford (1871-1937). Fsico neozelands. Rutherford realiz gran parte de su trabajo en Inglaterra (en las universidades de Manchester y Cambridge). Recibi el premio Nobel de Qumica en 1908 por sus investigaciones sobre la estructura del ncleo atmico. Un comentario que haca con frecuencia a sus estudiantes fue: la ciencia es fsica o una coleccin de estampillas.10 Johannes Hans Wilhelm Geiger (1882-1945). Fsico alemn. El trabajo de Geiger se enfoc en la estructura del ncleo atmico y en la radiactividad. Invent un dispositivo para medir la radiacin que ahora se conoce comnmente como el contador Geiger.11 Ernest Marsden (1889-1970). Fsico ingls. Es alentador saber que algunas veces un estudiante puede ayudar a ganar un premio Nobel. Marsden prosigui con su gran contribucin al desarrollo de la ciencia en Nueva Zelanda.


El radio tpico de un tomo es aproximadamente de 100 pm, en tanto que el radio del ncleo atmico es slo de 5 1023 pm. Se puede apreciar la diferencia relativa entre el ta-mao de un tomo y su ncleo imaginando que si un tomo tuviera el tamao de un estadio olmpico, el volumen de su ncleo sera comparable con el de una pequea canica. Mientras que los protones estn coninados en el ncleo del tomo, se considera que los electrones estn esparcidos alrededor del ncleo y a cierta distancia de l.

El concepto de radio atmico tiene utilidad experimental, pero no debe suponerse que los tomos tienen dimensiones o supericies bien deinidas. Ms adelante aprenderemos que las regiones externas de los tomos son relativamente difusas.

El neutrn

El modelo de Rutherford de la estructura atmica dejaba un importante problema sin resolver. Se saba que el hidrgeno, el tomo ms sencillo, contena slo un protn, y que el tomo de helio contena dos protones. Por tanto, la relacin entre la masa de un tomo de helio y un tomo de hidrgeno debera ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho ms ligeros que los protones, se puede ignorar su contribucin a la masa atmica.) Sin embargo, en realidad la relacin es 4:1. Rutherford y otros investigadores haban propuesto que debera existir otro tipo de partcula subatmica en el ncleo, hecho que el fsico ingls James Chadwick12 prob en 1932. Cuando Chadwick bombarde una delgada lmina de berilio con partculas a, el me-tal emiti una radiacin de muy alta energa, similar a los rayos g. Experimentos posteriores demostraron que esos rayos en realidad constan de un tercer tipo de partculas subatmicas, que Chadwick llam neutrones, debido a que se demostr que eran partculas elctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. El misterio de la re-lacin de las masas ahora se poda explicar. En el ncleo de helio existen dos protones y dos neutrones, en tanto que en el ncleo de hidrgeno hay slo un protn y no hay neutrones; por tanto, la relacin es 4:1.

En la igura 2.9 se muestra la localizacin de las partculas elementales (protones, neutro-nes y electrones) en un tomo. Existen otras partculas subatmicas, pero el electrn, el protn

12 James Chadwick (1981-1972). Fsico britnico. En 1935 recibi el premio Nobel de Fsica por demostrar la exis-tencia de los neutrones.

Protn

Neutrn

Figura 2.9 Los protones y los neutrones de un tomo estn confinados en un ncleo extremadamente pequeo. Los electrones se representan como nubes que circundan al ncleo.

Si el tamao de un tomo se expandiera hasta el de un estadio olmpico, el tamao de su ncleo sera el de una canica.

232.3 Nmero atmico, nmero de masa e istopos

y el neutrn son los tres componentes fundamentales del tomo que son importantes para la qumica. En la tabla 2.1 se muestran los valores de carga y de masa de estas tres partculas elementales.

2.3 Nmero atmico, nmero de masa e istopos

Todos los tomos se pueden identiicar por el nmero de protones y neutrones que contienen. El nmero atmico (Z) es el nmero de protones en el ncleo del tomo de un elemento. En un tomo neutro el nmero de protones es igual al nmero de electrones, de manera que el nmero atmico tambin indica el nmero de electrones presentes en un tomo. La identidad qumica de un tomo queda determinada por su nmero atmico. Por ejemplo, el nmero atmico del or es 9. Esto signiica que cada tomo de or tiene 9 protones y 9 electrones. O bien, visto de otra forma, cada tomo en el universo que contenga 9 protones se llamar de manera correcta or.

El nmero de masa (A) es el nmero total de neutrones y protones presentes en el ncleo de un tomo de un elemento. Con excepcin de la forma ms comn del hidrgeno, que tiene un protn y no tiene neutrones, todos los ncleos atmicos contienen tanto protones como neutrones. En general, el nmero de masa est dado por

nmero de masa 5 nmero de protones 1 nmero de neutrones 5 nmero atmico 1 nmero de neutrones

(2.1)

El nmero de neutrones en un tomo es igual a la diferencia entre el nmero de masa y el nmero atmico (A Z). Por ejemplo, si el nmero de masa de un tomo especico de boro es 12 y su nmero atmico es 5 (que indica 5 protones en el ncleo), entonces el nmero de neu-trones es 12 2 5 5 7. Observe que las tres cantidades (nmero atmico, nmero de neutrones y nmero de masa) deben ser enteros positivos o nmeros enteros.

No todos los tomos de un elemento determinado tienen la misma masa. La mayora de los elementos tiene dos o ms istopos, tomos que tienen el mismo nmero atmico pero diferente nmero de masa. Por ejemplo, existen tres istopos de hidrgeno. Uno de ellos, que se conoce como hidrgeno, tiene un protn y no tiene neutrones. El istopo llamado deuterio contiene un protn y un neutrn, y el tritio tiene un protn y dos neutrones. La forma aceptada para denotar el nmero atmico y el nmero de masa de un elemento (X) es como sigue:

nmero de masa A

ZX

nmero atmico

TABLA 2.1 Masa y carga de las partculas subatmicas

Carga

Partcula Masa (g) Coulomb Unidad de carga

Electrn* 9.10938 3 10228 21.6022 3 10219 21

Protn 1.67262 3 10224 11.6022 3 10219 11

Neutrn 1.67493 3 10224 0 0

* Las mediciones ms reinadas aportan un valor ms preciso de la masa de un electrn que las de Millikan.

Los protones y neutrones se llaman colectivamente nucleones.


As, para los istopos de hidrgeno escribimos:

H H H11

12

13

hidrogeno deuterio tritio

Como otro ejemplo, considere dos istopos comunes del uranio, con nmeros de masa 235 y 238, respectivamente:

92235

92238U U

El primer istopo se utiliza en reactores nucleares y en bombas atmicas, en tanto que el se-gundo carece de las propiedades necesarias para tener tales aplicaciones. Con excepcin del hidrgeno, que tiene un nombre diferente para cada uno de los istopos, los istopos de los elementos se identiican por su nmero de masa. As, los istopos anteriores se llaman uranio-235 (uranio doscientos treinta y cinco) y uranio-238 (uranio doscientos treinta y ocho).

Las propiedades qumicas de un elemento estn determinadas, principalmente, por los protones y electrones de sus tomos; los neutrones no participan en los cambios qumicos en condiciones normales. En consecuencia, los istopos del mismo elemento tienen un compor-tamiento qumico semejante, forman el mismo tipo de compuestos y presentan reactividades semejantes.

En el ejemplo 2.1 se muestra cmo calcular el nmero de protones, neutrones y electro-nes, a partir del nmero atmico y el nmero de masa.

11H 1

2H 13H

Indique el nmero de protones, neutrones y electrones para cada una de las siguientes especies: a b c d) Na, ) Na, ) O y ) carbono 111

201122 17 44.

Estrategia Recuerde que el exponente se reiere al nmero de masa (A), y el subndice al nmero atmico (Z). El nmero de masa siempre es mayor que el nmero atmico. (La nica excepcin es 11H, donde el nmero de masa es igual al nmero atmico.) En caso de que no se muestre el subndice, como en los incisos c) y d), el nmero atmico se puede derivar del smbolo o nombre del elemento. Para determinar el nmero de electrones, recuerde que como la electricidad de los tomos es neutra, el nmero de electrones es igual al nmero de protones.

Solucin a) El nmero atmico es 11; luego, hay 11 protones. El nmero de masa es 20; por tanto, el nmero de electrones es 20 2 11 5 9. El nmero de electrones es el mismo que el nmero de protones, es decir, 11.

b) El nmero atmico es el mismo que en a), u 11. El nmero de masa es 22; luego, el nmero de neutrones es 22 2 11 5 11. El nmero de electrones es 11. Observe que las especies en a) y b) son istopos qumicamente similares al sodio.

c) El nmero atmico de O (oxgeno) es 8; luego, tiene 8 protones. El nmero de masa es 17; por tanto, tiene 17 2 8 5 9 neutrones. Hay 8 electrones.

d) El carbono 14 tambin se puede representar como 14C. El nmero atmico del carbono es 6, as que tiene 14 2 6 5 8 neutrones. El nmero de electrones es 6.

Ejercicio de prctica Cuntos protones, neutrones y electrones tiene el siguiente istopo del cobre: 63Cu?

EJEMPLO 2.1

Revisin de conceptosa) Mencione el nico elemento que tiene un istopo que no contiene neutrones.b) Explique por qu un ncleo de helio que no contiene neutrones tiende a ser

inestable.

Problemas similares 2.15, 2.16.

252.4 La tabla peridica

2.4 La tabla peridica

Ms de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad se descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este periodo los qumicos observaron que muchos elementos mostraban gran-des semejanzas entre ellos. El reconocimiento de las regularidades peridicas en las propieda-des fsicas y en el comportamiento qumico, as como la necesidad de organizar la gran canti-dad de informacin disponible sobre la estructura y propiedades de las sustancias elementales, condujeron al desarrollo de la tabla peridica, una tabla en la que se encuentran agrupados los elementos que tienen propiedades qumicas y fsicas semejantes. En la igura 2.10 se mues-tra la tabla peridica moderna, en la cual los elementos estn acomodados de acuerdo con su nmero atmico (que aparece sobre el smbolo del elemento), en ilas horizontales, llamadas periodos, y en columnas verticales, conocidas como grupos o familias, de acuerdo con sus semejanzas en las propiedades qumicas. Observe que los elementos 112 a 116 y 118 se han sintetizado recientemente, razn por la cual an carecen de nombre.

Los elementos se dividen en tres categoras: metales, no metales y metaloides. Un metal es un buen conductor del calor y la electricidad, en tanto que un no metal generalmente es mal conductor del calor y la electricidad. Un metaloide presenta propiedades intermedias entre los metales y los no metales. En la igura 2.10 se observa que la mayora de los elemen-tos que se conocen son metales; slo 17 elementos son no metales y ocho son metaloides. De

Figura 2.10 La tabla peridica moderna. Los elementos estn organizados de acuerdo con los nmeros atmicos, que aparecen sobre sus smbolos. Con excepcin del hidrgeno (H), los no metales aparecen en la extrema derecha de la tabla. Las dos filas de metales que se loca-lizan por debajo de la tabla principal se ubican convencionalmente aparte para evitar que la tabla sea demasiado grande. En realidad, el cerio (Ce) debera seguir al lantano (La), y el torio (Th) debera ir justo despus del actinio (Ac). La Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC) ha recomendado la designacin de los grupos 1-18 pero su uso an no es frecuente. En este texto utilizamos la notacin estadouni-dense para los nmeros de los grupos (1A-8A y 1B-8B). Todava no se ha asignado nombre a los elementos 112 a 116 y 118. El elemento 117 an no ha sido sintetizado.

Metales

Metaloides

No metales

1H

3Li

11Na

19K

37Rb

55Cs

87Fr

20Ca

38Sr

56Ba

88Ra

21Sc

39Y

57La

89Ac

22Ti

40Zr

72Hf

104Rf

23V

41Nb

73Ta

105Db

24Cr

42Mo

74W

106Sg

25Mn

43Tc

75Re

107Bh

26Fe

44Ru

76Os

108Hs

27Co

45Rh

77Ir

109Mt

28Ni

46Pd

78Pt

29Cu

47Ag

79Au

30Zn

48Cd

80Hg

31Ga

49In

81Tl

32Ge

50Sn

82Pb

33As

51Sb

83Bi

34Se

52Te

84Po

35Br

53I

85At

36Kr

54Xe

86Rn

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

2He

4Be

12Mg

58Ce

90Th

59Pr

91Pa

60Nd

92U

61Pm

93Np

62Sm

94Pu

63Eu

95Am

64Gd

96Cm

65Tb

97Bk

66Dy

98Cf

67Ho

99Es

68Er

100Fm

69Tm

101Md

70Yb

102No

71Lu

103Lr

110Ds

112 113 114 115 116 (117) 118

11A

22A

33B

44B

55B

66B

77B

98B

111B

108 122B

133A

144A

155A

166A

177A

188A

111Rg

Q U M I C A

en accinDistribucin de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos

L a mayor parte de los elementos se presentan en forma natural. Cmo estn distribuidos estos elementos en la Tierra, y cules son esenciales para los sistemas vivos?

Aproximadamente, la extensin de la corteza terrestre desde la supericie hacia el centro de la Tierra es de 40 kil-metros (alrededor de 25 millas). Debido a diicultades tc-nicas, los cienticos no han podido estudiar las porciones internas de la Tierra con tanta facilidad como las de la cor-teza. No obstante, se cree que en el centro de la Tierra existe un ncleo slido compuesto en su mayor parte por hierro. Al-rededor del ncleo se encuentra una capa llamada manto, la cual est formada por un uido caliente que contiene hierro, carbono, silicio y azufre.

De los 83 elementos que se encuentran en la naturaleza, 12 constituyen 99.7% de la masa de la corteza terrestre. stos son, en orden decreciente de abundancia natural, oxgeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na), potasio (K), titanio (Ti) hidrgeno (H), fs-foro (P) y manganeso (Mn). Al analizar la abundancia natu-

ral de los elementos, debemos recordar que: 1) los elementos no estn distribuidos de manera uniforme en la corteza te-rrestre, y 2) la mayora se presentan en combinaciones. Estos datos proporcionan la base para la mayora de los mtodos de obtencin de elementos puros a partir de sus compuestos, como se estudiar en captulos posteriores.

En la tabla siguiente se presentan los elementos esen-ciales en el cuerpo humano. Especialmente importantes son los elementos traza, como hierro (Fe), cobre (Cu), zinc (Zn), yodo (I) y cobalto (Co), los cuales en conjunto conforman aproximadamente 0.1% de la masa corporal. Estos elemen-tos son necesarios para el desarrollo de las funciones biol-gicas como el crecimiento, el transporte de oxgeno para el metabolismo y la defensa contra las enfermedades. Existe un balance delicado en las cantidades presentes de estos ele-mentos en nuestros cuerpos. Su deiciencia o exceso durante un amplio periodo puede producir enfermedades graves, re-traso mental o incluso la muerte.

3 480 km2 900 km

Corteza

Ncleo

Manto

Estructura del interior de la Tierra.

Elementos esenciales en el cuerpo humano

Elemento Porcentaje en masa* Elemento Porcentaje en masa*

Oxgeno 65 Sodio 0.1

Carbono 18 Magnesio 0.05

Hidrgeno 10 Hierro

272.5 Molculas y iones

izquierda a derecha, a lo largo de cualquier periodo, las propiedades fsicas y qumicas de los elementos cambian en forma gradual de metlicas a no metlicas.

En general, se hace referencia a los elementos en forma colectiva, mediante su nmero de grupo en la tabla peridica (grupo 1A, grupo 2A, y as sucesivamente). Sin embargo, por conveniencia, algunos grupos de elementos tienen nombres especiales. Los elementos del gru-po 1A (Li, Na, K, Rb, Cs y Fr) se llaman metales alcalinos, y los elementos del grupo 2A (Be, Mg, Ca, Sr, Ba y Ra) reciben el nombre de metales alcalinotrreos. Los elementos del grupo 7A (F, Cl, Br, I y At) se conocen como halgenos, y los elementos del grupo 8A (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn) son los gases nobles o gases raros.

La tabla peridica es una herramienta til que correlaciona las propiedades de los elemen-tos en forma sistemtica y ayuda a hacer predicciones respecto del comportamiento qumico. Ms adelante, analizaremos con ms detalle esta piedra angular de la qumica.

La seccin de Qumica en accin mostrada anteriormente describe la distribucin de los elementos sobre la Tierra y en el cuerpo humano.

Revisin de conceptos

Despus de observar la tabla peridica, las propiedades qumicas cambian ms a travs de un periodo o a travs de un grupo?

2.5 Molculas y iones

De todos los elementos, slo los seis gases nobles del grupo 8A de la tabla peridica (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn) existen en la naturaleza como tomos sencillos. Por esta razn se dice que son gases monoatmicos (lo que signiica un solo tomo). La mayor parte de la materia est compuesta por molculas o iones formados por los tomos.

Molculas

Una molcula es un agregado de, por lo menos, dos tomos en una colocacin deinida que se mantienen unidos a travs de fuerzas qumicas (tambin llamadas enlaces qumicos). Una molcula puede contener tomos del mismo elemento o tomos de dos o ms elementos, siem-pre en una proporcin ija, de acuerdo con la ley de las proporciones deinidas que se explic en la seccin 2.1. As, una molcula no siempre es un compuesto, el cual, por deinicin, est formado por dos o ms elementos (vea la seccin 1.2). El hidrgeno gaseoso, por ejemplo, es un elemento puro, pero consta de molculas formadas por dos tomos de H cada una. Por otra parte, el agua es un compuesto molecular que contiene hidrgeno y oxgeno en una relacin de dos tomos de H y un tomo de O. Al igual que los tomos, las molculas son elctricamente neutras.

Se dice que la molcula de hidrgeno, representada por H2, es una molcula diatmica porque contiene slo dos tomos. Otros elementos que existen normalmente como molculas diatmicas son nitrgeno (N2) y oxgeno (O2), as como los elementos del grupo 7A: lor (F2), cloro (Cl2), bromo (Br2) y yodo (I2). Por supuesto, una molcula diatmica puede conte-ner tomos de diferentes elementos. Como ejemplos se pueden citar el cloruro de hidrgeno (HCl) y el monxido de carbono (CO).

La gran mayora de las molculas contiene ms de dos tomos. Pueden ser tomos de un mismo elemento, como el ozono (O3), que est formado por tres tomos de oxgeno, o bien pueden ser combinaciones de dos o ms elementos diferentes. Las molculas que contienen ms de dos tomos reciben el nombre de molculas poliatmicas. El ozono (O3), el agua (H2O) y el amoniaco (NH3) son molculas poliatmicas.

Elementos que existen como

molculas diatmicas.

1A

2A 3A 4A 5A 6A 7A

8A

N O F

Cl

Br

I

H


Iones

Un ion es un tomo o un grupo de tomos que tiene una carga neta positiva o negativa. El nmero de protones, cargados positivamente, del ncleo de un tomo permanece igual du-rante los cambios qumicos comunes (llamados reacciones qumicas), pero se pueden perder o ganar electrones, cargados negativamente. La prdida de uno o ms electrones a partir de un tomo neutro forma un catin, un ion con carga neta positiva. Por ejemplo, un tomo de sodio (Na) fcilmente puede perder un electrn para formar el catin sodio, que se representa como Na1:

tomo de Na Ion Na+

11 protones 11 protones 11 electrones 10 electrones

Por otra parte, un anin es un ion cuya carga neta es negativa debido a un incremento en el nmero de electrones. Por ejemplo, un tomo de cloro (Cl) puede ganar un electrn para formar el ion cloruro Cl :

tomo de Cl Ion Cl

17 protones 17 protones 17 electrones 18 electrones

Se dice que el cloruro de sodio (NaCl), la sal comn de mesa, es un compuesto inico porque est formado por cationes y aniones.

Un tomo puede perder o ganar ms de un electrn. Como ejemplos de iones formados por la prdida o ganancia de ms de un electrn estn: Mg21, Fe31, S22 y N32. Estos iones, lo mismo que los iones Na1 y Cl2, reciben el nombre de iones monoatmicos porque contienen solamente un tomo. En la igura 2.11 se muestra la carga de algunos iones monoatmicos. Con algunas excepciones, los metales tienden a formar cationes y los no metales, aniones.

Adems, es posible combinar dos o ms tomos y formar un ion que tenga una carga neta positiva o negativa. Los iones que contienen ms de un tomo, como es el caso de OH2 (ion hidrxido), CN2 (ion cianuro) y NH4

1 (ion amonio) se denominan iones poliatmicos.

En el captulo 6 veremos por qu los tomos de diferentes elementos ganan (o pierden) un nmero especfico de electrones.

11A

22A

33B

44B

55B

66B

77B

98B

111B

108 122B

133A

144A

155A

166A

177A

188A

Li+

Na+

K+

Rb+

Cs+

Ca2+

Sr2+

Ba2+

Ag+

Zn2+ Se2 BrNi2+

Ni3+Mn2+

Mn3+Cr2+

Cr3+

Cd2+ Te2 I

Al3+ S2 Cl

O2N3C4 F

Mg2+

Fe2+

Fe3+Co2+

Co3+Cu+

Cu2+

P3

Sn2+

Sn4+

Pb2+

Pb4+Hg2+

Hg2+Au+

Au3+2

Figura 2.11 Iones monoatmicos comunes ordenados segn sus posiciones en la tabla peridica. Observe que el ion Hg2+2 contiene dos tomos.

292.6 Frmulas qumicas

2.6 Frmulas qumicas

Los qumicos utilizan frmulas qumicas para expresar la composicin de las molculas y los compuestos inicos por medio de los smbolos qumicos. Composicin signiica no solamente los elementos presentes, sino tambin la proporcin en la cual se combinan los tomos. En este punto se consideran dos tipos de frmulas: frmulas moleculares y frmulas empricas.

Frmulas moleculares

Una frmula molecular indica el nmero exacto de tomos de cada elemento que estn pre-sentes en la unidad ms pequea de una sustancia. En el anlisis sobre molculas, cada ejem-plo se presenta con su frmula molecular entre parntesis. As, H2 es la frmula molecular del hidrgeno, O2 representa al oxgeno, O3 es el ozono y H2O representa al agua. El subndice numrico indica el nmero de tomos de cada elemento que estn presentes. En el caso del H2O no aparece un subndice para el O debido a que slo hay un tomo de oxgeno en una molcula de agua; de esta manera se omite el subndice uno de las frmulas. Obsrvese que oxgeno (O2) y ozono (O3) son altropos del oxgeno. Un altropo es una de dos o ms formas diferentes de un elemento. Dos formas alotrpicas del elemento carbono: diamante y graito, son completamente diferentes no slo en sus propiedades qumicas, sino tambin en su costo relativo.

Modelos molecularesLas molculas son demasiado pequeas como para poder observarlas de manera directa. Una forma efectiva para visualizarlas es mediante el uso de modelos moleculares. Por lo comn se utilizan dos tipos de modelos moleculares: los modelos de esferas y barras, y los modelos espaciales (igura 2.12). En los modelos de esferas y barras los tomos estn representados por esferas de madera o de plstico con oriicios perforados en ellas. Para representar los enlaces qumicos se utilizan barras o resortes. Los ngulos que se forman entre los tomos en los modelos se aproximan a los ngulos de enlace reales de las molculas. Con excepcin del tomo de H, todas las esferas son del mismo tamao y cada tipo de tomo est representado en color. En los modelos espaciales, los tomos estn representados por esferas truncadas que se mantienen unidas a presin, de manera que los enlaces no se ven. El tamao de las esferas

Frmula molecular

Frmula estructural

Modelo de esferas y barras

Modeloespacial

Hidrgeno

H2

HH

Agua

H2O

HOH

Amoniaco

NH3

HNH

H

Metano

CH4

H

HCH

H

Figura 2.12 Frmulas moleculares y estructurales, y modelos moleculares para cuatro molculas comunes.


es proporcional al tamao de los tomos. El primer paso para construir un modelo molecular consiste en escribir la frmula estructural, que muestra cmo estn unidos entre s los tomos de una molcula. Por ejemplo, se sabe que en la molcula de agua cada uno de los dos tomos de H est unido a un tomo de O. Por tanto, la frmula estructural del agua es H2O2H. Una lnea que une dos smbolos atmicos representa un enlace qumico.

Los modelos de esferas y barras muestran con claridad la distribucin tridimensional de los tomos y son relativamente fciles de construir. Sin embargo, el tamao de las esferas no es proporcional al tamao de los tomos. Como consecuencia, las barras por lo general exa-geran la distancia entre los tomos de una molcula. Los modelos espaciales son ms exactos porque muestran la diferencia del tamao de los tomos. El inconveniente es que su construc-cin requiere de ms tiempo y no muestran bien la posicin tridimensional de los tomos. En este texto se utilizarn constantemente ambos modelos.

Frmulas empricas

La frmula molecular del perxido de hidrgeno, sustancia que se utiliza como antisptico y como agente blanqueador para ibras textiles y decolorante del cabello, es H2O2. Esta frmu-la indica que cada molcula de perxido de hidrgeno contiene dos tomos de hidrgeno y dos tomos de oxgeno. La proporcin de tomos de hidrgeno y tomos de oxgeno en esta molcula es 2:2 o 1:1. La frmula emprica del perxido de hidrgeno es HO. En consecuen-cia, la frmula emprica indica cules elementos estn presentes y la proporcin mnima, en nmeros enteros, entre sus tomos, pero no necesariamente indica el nmero real de tomos en una molcula determinada. Como otro ejemplo, considere el compuesto hidrazina (N2H4), que se utiliza como combustible para cohetes. La frmula emprica de la hidrazina es NH2. La relacin entre el nitrgeno y el hidrgeno es 1:2, tanto en la frmula molecular (N2H4) como en la frmula emprica (NH2); slo la frmula molecular indica el nmero real de tomos de N (dos) y de H (cuatro) presentes en una molcula de hidrazina.

Las frmulas empricas son las frmulas qumicas ms sencillas; se escriben de manera que los subndices de las frmulas moleculares se reduzcan a los nmeros enteros ms peque-os que sea posible. Las frmulas moleculares son las frmulas reales de las molculas. Una vez que se conoce la frmula molecular, tambin se conoce la frmula emprica, pero no al contrario. Entonces, por qu son tan importantes las frmulas empricas para los qumicos? Como estudiaremos en el captulo 3, cuando los qumicos analizan un compuesto descono-cido, por lo general el primer paso consiste en la determinacin de su frmula emprica. Con informacin adicional, es posible deducir la frmula molecular.

Para muchas molculas, la frmula molecular y la frmula emprica son lo mismo. Algu-nos ejemplos lo constituyen el agua (H2O), el amoniaco (NH3), el dixido de carbono (CO2) y el metano (CH4).

Los ejemplos 2.2 y 2.3 se reieren a la forma de expresar las frmulas moleculares a partir de modelos moleculares y cmo expresar frmulas empricas con base en frmulas molecu-lares.

H2O2

La palabra emprico significa derivado de la experiencia. Como se abordar en el captulo 3, las frmulas empricas se determinan experimentalmente.

Problemas similares: 2.47, 2.48.

Escriba la frmula molecular del metanol, disolvente orgnico y anticongelante, a partir del modelo de esferas y barras que se muestra al margen.

Solucin Analice el cdigo de colores para los tomos. Tiene cuatro tomos de H, un tomo de C, y un tomo de O. En consecuencia, la frmula molecular es CH4O. Sin embargo, la manera comn de escribir la frmula molecular del metanol es CH3OH porque as se muestra cmo estn unidos los tomos en la molcula.

Ejercicio de prctica Escriba la frmula molecular del cloroformo, que se utiliza como disolvente y como agente para limpieza. El modelo de esferas y barras del cloroformo se muestra al margen en la pgina siguiente.

EJEMPLO 2.2

Metanol

C

H

O

312.6 Frmulas qumicas

Frmulas de los compuestos inicos

Las frmulas de los compuestos inicos por lo general son las mismas que sus frmulas empricas debido a que los compuestos inicos no estn formados por unidades moleculares discretas. Por ejemplo, una muestra slida de cloruro de sodio (NaCl) consiste en el mismo nmero de iones Na1 y Cl2 dispuestos en una red tridimensional (igura 2.13). En este com-puesto existe una proporcin de cationes y aniones de 1:1, de forma que el compuesto es elctricamente neutro. Como puede apreciarse en la igura 2.13, en el NaCl no se encuentra un ion Na1 asociado a un ion Cl2 en particular. De hecho, cada ion Na1 es atrado por los seis iones Cl2 que le rodean, y viceversa. As, NaCl es la frmula emprica del cloruro de sodio. En otros compuestos inicos la estructura real puede ser diferente, pero el arreglo de cationes y aniones es de tal forma que los compuestos son elctricamente neutros. Observe que en la frmula de un compuesto inico no se muestra la carga del catin ni del anin.

Cloroformo

H

C

Escriba la frmula emprica de las siguientes molculas: a) acetileno (C2H2), que se utiliza en los sopletes para la soldadura; b) glucosa (C6H12O6), sustancia conocida como azcar sanguneo; c) xido nitroso (N2O), compuesto gaseoso utilizado como anestsico (gas hilarante) y como propelente para cremas en aerosol.

Estrategia Recuerde que para establecer la frmula emprica, los subndices de la frmula molecular se deben escribir como los nmeros enteros ms pequeos que sea posible.

Solucina) En el acetileno hay dos tomos de carbono y dos tomos de hidrgeno. Dividiendo los

subndices entre 2, se obtiene la frmula emprica CH.b) En la glucosa hay seis tomos de carbono, 12 tomos de hidrgeno y seis tomos de

oxgeno. Al dividir los subndices entre seis se obtiene la frmula emprica CH2O. Observe que al dividir los subndices entre tres, se obtendra la frmula C2H4O2. Aunque la relacin de tomos de carbono a hidrgeno y a oxgeno en C2H4O2 es la misma que en C6H12O6 (1:2:1), C2H4O2 no es la frmula ms sencilla porque los subndices no mantienen la proporcin ms pequea en nmeros enteros.

c) Debido a que los subndices en N2O son los nmeros enteros ms pequeos posibles, la frmula emprica del xido nitroso es la misma que su frmula molecular.

Ejercicio de prctica Escriba la frmula emprica de la cafena (C8H10N4O2), estimulante que se encuentra en el t y el caf.

EJEMPLO 2.3

Problemas similares: 2.45, 2.46.

Reaccin del sodio metlico con el cloro gaseoso para formar el cloruro de sodio.

Figura 2.13 a) Estructura del NaCl slido. b) En realidad, los cationes estn en contacto con los aniones. Tanto en a) como en b) las esferas ms pequeas representan iones Na1 y las esferas ms grandes, iones Cl2. c) Cristales de NaCl.

b)a) c)

Cl


Para que los compuestos inicos sean elctricamente neutros, la suma de las cargas de los cationes y de los aniones de una frmula debe ser igual a cero. Si las cargas de los cationes y de los aniones son numricamente diferentes, se aplica la siguiente regla para que la frmula sea elctricamente neutra: el subndice del catin debe ser numricamente igual a la carga del anin, y el subndice del anin debe ser numricamente igual a la carga del catin. Si las cargas son numricamente iguales, los subndices no sern necesarios. Esta regla se deriva del hecho de que debido a que las frmulas de los compuestos inicos normalmente son sus frmulas empricas, los subndices siempre se deben reducir a las proporciones ms pequeas posibles. Considere los siguientes ejemplos.

r Bromuro de potasio. El catin potasio K1 y el anin bromuro Br2 se combinan para formar el compuesto inico bromuro de potasio. La suma de las cargas es 11 1 (21) 5 0, de modo que no es necesario escribir subndices. La frmula es KBr.

r Yoduro de zinc. El catin zinc Zn21 y el anin yoduro I2 se combinan para formar yodu-ro de zinc. La suma de las cargas de un ion Zn21 y un ion I2 es 12 1 (21) 5 11. Para que la suma de las cargas sea igual a cero se debe multiplicar por 2 la carga 21 del anin y agregar un subndice 2 al smbolo del yodo. En consecuencia, la frmula del yoduro de zinc es ZnI2.

r xido de aluminio. El catin es Al31 y el anin oxgeno es O22. El siguiente diagrama ayuda para la determinacin de los subndices del compuesto formado por el catin y el anin:

La suma de las cargas es 2(13) 1 3(22) 5 0. As, la frmula del xido de aluminio es Al2O3.

Refirase a la figura 2.11 para cargas de cationes y aniones.

Cuando el magnesio se quema en el aire, forma xido de magnesio y nitruro de magnesio.

Problemas similares 2.43, 2.44.

Escriba la frmula del nitruro de magnesio, que contenga los iones Mg21 y N32.

Estrategia Nuestra gua para escribir frmulas para compuestos inicos es la neutralidad elctrica; es decir, la carga total en el catin debe ser igual a la carga total en el anin. Debido a que las cargas en los iones Mg21 y N32 no son iguales, sabemos que la frmula no puede ser MgN. En cambio, escribimos la frmula como MgxNy, donde x y y son los subndices que se deben determinar.

Solucin Para satisfacer la neutralidad elctrica se debe mantener la siguiente relacin:

(12)x 1 (23)y 5 0

Al resolver esta ecuacin obtenemos x/y 5 3/2. Si sustituimos x = 3 y y = 2, tenemos

Vericacin Los subndices se redujeron a la proporcin de tomos ms pequea en nmeros enteros debido a que la frmula qumica de un compuesto inico por lo general es su frmula emprica.

Ejercicio de prctica Escriba las frmulas de los siguientes compuestos inicos: a) sulfato de cromo (que contiene los iones Cr31 y SO4

22) y b) xido de titanio (que contiene los iones Ti41 y O22).

EJEMPLO 2.4

Al2 O3

Al O 213 2

Mg3 N2

Mg N 212 3

Observe que en cada uno de los tres ejemplos anteriores, los subndices estn en las razones ms pequeas.

332.7 Nomenclatura de los compuestos

Revisin de conceptos

Relacione cada uno de los siguientes diagramas con los siguientes compuestos inicos: Al2O3, LiH, Na2S, Mg(NO3)2. (Las esferas grises representan los cationes y las que aparecen en color, los aniones.)


Cuando la qumica era una ciencia joven y el nmero de compuestos conocidos pequeo, era posible memorizar todos los nombres. Muchos nombres se derivaban de su aspecto fsico, de sus propiedades, de su origen o de sus aplicaciones, por ejemplo, leche de magnesia, gas hilarante, piedra caliza, sosa custica, leja, sosa para lavar y polvo de hornear.

En la actualidad el nmero de compuestos conocidos sobrepasa los 20 millones. Por for-tuna no es necesario memorizar sus nombres. A travs de los aos, los qumicos han diseado un sistema claro para nombrar las sustancias qumicas. Las reglas propuestas son aceptadas mundialmente, lo que facilita la comunicacin entre los qumicos y proporciona una forma til para trabajar con la abrumadora variedad de sustancias. El aprendizaje de estas reglas en el momento actual proporciona un beneicio casi inmediato a medida que se avanza en el estudio de la qumica.

Para iniciar el estudio de la nomenclatura qumica, es decir, el nombre de los compuestos qumicos, es necesario, primero, distinguir entre compuestos inorgnicos y orgnicos. Los compuestos orgnicos contienen carbono, comnmente combinado con elementos como hi-

drgeno, oxgeno, nitrgeno y azufre. El resto de los compuestos se clasiican como compues-tos inorgnicos. Por conveniencia, algunos compuestos que contienen carbono, como mo-nxido de carbono (CO), dixido de carbono (CO2), disulfuro de carbono (CS2), compuestos que contienen el grupo cianuro (CN2), as como los grupos carbonato (CO3

22) y bicarbonato (HCO3

2) se consideran compuestos inorgnicos. En la seccin 2.8 se presenta una breve intro-duccin al tema de los compuestos orgnicos.

Para organizar y simpliicar el estudio de la nomenclatura, los compuestos inorgnicos se dividen en cuatro categoras: compuestos inicos, compuestos moleculares, cidos y bases e hidratos.

Compuestos inicos

En la seccin 2.5 aprendimos que los compuestos inicos estn formados por cationes (iones positivos) y aniones (iones negativos). Con excepcin del ion amonio, NH4

1, todos los catio-nes de inters se derivan de tomos metlicos. Los nombres de los cationes metlicos provie-nen del nombre de los elementos. Por ejemplo:

a) b) c) d)

Los metales ms reactivos (en color)

y los no metales ms reactivos (gris)

se combinan para formar compuestos

inicos.

1A

2A 3A 4A 5A 6A 7A

8A

N O

SAl

F

Cl

Br

I

Li

Na

K

Rb

Cs

Mg

Ca

Sr

Ba

Elemento Nombre del catin

Na sodio Na1 ion sodio (o catin sodio)

K potasio K1 ion potasio (o catin potasio)

Mg magnesio Mg21 ion magnesio (o catin magnesio)

Al aluminio Al31 ion aluminio (o catin aluminio)

Muchos compuestos inicos son compuestos binarios, o compuestos formados solamen-te por dos elementos. Para los compuestos binarios, primero se nombra el anin no metlico seguido por el catin metlico. De esta manera, el NaCl es cloruro de sodio. La nomenclatura


del anin se forma tomando la primera parte del nombre del elemento (cloro) y agregando el suijo uro. Tambin son compuestos binarios el bromuro de potasio (KBr), el yoduro de zinc (ZnI2) y el xido de aluminio (Al2O3). En la tabla 2.2 se muestra la nomenclatura con el suijo uro de algunos aniones monoatmicos comunes, segn su posicin en la tabla peridica.

El suijo uro tambin se utiliza para algunos grupos de aniones que contienen elemen-tos diferentes, como el hidrxido (OH2) y el cianuro (CN2). As, los compuestos LiOH y KCN se nombran hidrxido de litio y cianuro de potasio, respectivamente. stas, as como algunas otras sustancias inicas, se denominan compuestos ternarios, lo que signiica que son compuestos formados por tres elementos. En la tabla 2.3 se enumeran en orden alfabtico los nombres de algunos cationes y aniones comunes.

Algunos metales, en particular los metales de transicin, pueden formar ms de un tipo de catin. Considere el hierro como ejemplo. El hierro puede formar dos cationes Fe21 y Fe31. El sistema antiguo de nomenclatura, que todava tiene cierto uso, asigna el suijo oso al catin con menor carga positiva, y el suijo ico al catin con mayor carga positiva:

Fe21 ion ferroso Fe31 ion frrico

Los nombres de los compuestos que forman estos iones hierro con el cloro seran:

FeCl2 cloruro ferroso FeCl3 cloruro frrico

Este mtodo para nombrar los iones presenta algunas limitaciones. La primera es que los suijos oso e ico no proporcionan informacin con respecto a la carga real de los dos cationes involucrados. As, el ion frrico es Fe31, pero el catin de cobre llamado cprico tiene la frmula Cu21. Adems, las terminaciones oso e ico proporcionan el nombre slo para dos cationes. Algunos elementos metlicos pueden adoptar tres o ms diferentes cargas positivas en los compuestos. En consecuencia, cada vez es ms comn designar los diferentes cationes mediante el empleo de nmeros romanos. Este mtodo recibe el nombre de sistema de Stock.13 De acuerdo con este sistema, el nmero romano I indica una carga positiva, II sig-niica dos cargas positivas, y as sucesivamente. Por ejemplo, los tomos de manganeso (Mn) pueden adoptar diferentes cargas positivas:

Mn21: MnO xido de manganeso(II) Mn31: Mn2O3 xido de manganeso(III) Mn41: MnO2 xido de manganeso(IV)

Los nombres de estos compuestos se leen xido de manganeso dos, xido de manganeso tres y xido de manganeso cuatro. Al emplear el sistema de Stock, el ion ferroso y el ion

TABLA 2.2 Nomenclatura con el sufijo uro para algunos aniones monoatmicos comunes segn su posicin en la tabla peridica

Grupo 4A Grupo 5A Grupo 6A Grupo 7A

C carburo (C42)* N nitruro (N32) O xido (O22) F uoruro (F2)

Si siliciuro (Si42) P fosfuro (P32) S sulfuro (S22) Cl cloruro (Cl2)

Se selenuro (Se22) Br bromuro (Br2)

Te telururo (Te22) I yoduro (I2)

* La palabra carburo tambin se utiliza para el anin C222.

Los metales de transicin son los elementos de los grupos 1B y 3B-8B (vea la figura 2.10).

8B 1B 2B3B 4B 5B 6B 7B

FeCl2 (izquierda) y FeCl3 (derecha).

13 Alfred E. Stock (1876-1946). Qumico alemn. Stock realiz la mayor parte de su investigacin sobre la sntesis y caracterizacin de los compuestos de boro, berilio y silicio. Fue el primer cientico en estudiar el peligro del enve-nenamiento por mercurio.

Recuerde que los nmeros romanos se refieren a las cargas en los cationes metlicos.


frrico se designan como hierro(II) y hierro(III), respectivamente; el cloruro ferroso se deno-minar cloruro de hierro(II), en tanto que el cloruro frrico ser cloruro de hierro(III). Segn la prctica moderna, en este libro se utilizar el sistema de Stock para nombrar los compuestos.

Los ejemplos 2.5 y 2.6 ilustran cmo nombrar los compuestos inicos y escribir sus fr-mulas, con base en la informacin de la igura 2.11 as como en las tablas 2.2 y 2.3.

Nombre los siguientes compuestos: a) Cu(NO3)2, b) KH2PO4 y c) NH4ClO3.

Estrategia Observe que los compuestos en a) y b) contienen tomos tanto metlicos como no metlicos, as que esperamos que sean compuestos inicos. No existen tomos metlicos en c) pero existe un grupo amonio, el cual tiene una carga positiva. As, NH4ClO3 tambin es un compuesto inico. Nuestra referencia para los nombres de los cationes y aniones es la tabla

EJEMPLO 2.5

TABLA 2.3 Nombres y frmulas de algunos cationes y aniones inorgnicos comunes

Catin Anin

aluminio (Al31) bromuro (Br2)

amonio (NH41) carbonato (CO3

22)

bario (Ba21) cianuro (CN2)

cadmio (Cd21) clorato (ClO32)

calcio (Ca21) cloruro (Cl2)

cesio (Cs1) cromato (CrO422)

cobalto(II) o cobaltoso (Co21) dicromato (Cr2O722)

cobre(I) o cuproso (Cu1) dihidrgeno fosfato (H2PO42)

cobre(II) o cprico (Cu21) uoruro (F2)

cromo(III) o crmico (Cr31) fosfato (PO432)

estao(II) o estanoso (Sn21) hidrgeno carbonato o bicarbonato (HCO32)

estroncio (Sr21) hidrgeno fosfato (HPO422)

hidrgeno (H1) hidrgeno sulfato o bisulfato (HSO42)

hierro(II) o ferroso (Fe21) hidrxido (OH2)

hierro(III) o frrico(Fe31) hidruro (H2)

litio (Li1) nitrato (NO32)

magnesio (Mg21) nitrito (NO22)

manganeso(II) o manganoso (Mn21) nitruro (N32)

mercurio(I) o mercuroso (Hg221)* xido (O22)

mercurio(II) o mercrico (Hg21) permanganato (MnO42)

plata (Ag1) perxido (O222)

plomo(II) o plumboso (Pb21) sulfato (SO422)

potasio (K1) sulito (SO322)

rubidio (Rb1) sulfuro (S22)

sodio (Na1) tiocianato (SCN2)

zinc (Zn21) yoduro (I2)

* El mercurio(I) existe como un par, segn se seala.

(contina)


Compuestos moleculares

A diferencia de los compuestos inicos, los compuestos moleculares estn formados por uni-dades moleculares discretas. Por lo general estn formados por elementos no metlicos (vea la igura 2.10). Muchos compuestos moleculares son compuestos binarios. La nomenclatura de los compuestos moleculares binarios se hace de manera similar a la de los compuestos inicos binarios. Se nombra primero el segundo elemento de la frmula, a cuya raz se adiciona el suijo -uro y despus se nombra el primer elemento. Algunos ejemplos son:

HCl cloruro de hidrgeno HBr bromuro de hidrgeno SiC carburo de silicio

2.3. Recuerde que si un tomo metlico puede formar cationes de diferentes cargas (vea la igura 2.11), es necesario emplear el sistema de Stock.

Solucina) Debido a que el ion nitrato (NO3

2) tiene una carga negativa, el ion cobre debe tener dos cargas positivas. Debido a que el cobre forma los iones Cu1 y Cu21, necesitamos utilizar el sistema Stock y denominar al compuesto nitrato de cobre(II).

b) El catin es K1 y el anin es H2PO42 (dihidrgeno fosfato). Debido a que el potasio slo

forma un tipo de ion (K1), no es necesario escribir potasio(I) en el nombre. El compuesto es dihidrgeno fosfato de potasio.

c) El catin es NH41 (ion amonio) y el anin es ClO3

2. El compuesto es clorato de amonio.

Ejercicio de prctica Nombre los siguientes compuestos: a) PbO y b) Li2SO3.Problemas similares: 2.57b), e), f ).

Escriba las frmulas qumicas de los siguientes compuestos: a) nitrito de mercurio(I), b) sulfuro de cesio y c) fosfato de calcio.

Estrategia En la tabla 2.3 encontramos las frmulas de cationes y aniones. Recuerde que los nmeros romanos en el sistema de Stock proporcionan informacin til acerca de las cargas del catin.

Solucina) El nmero romano muestra que el ion mercurio tiene una carga 11. Sin embargo, el ion

mercurio(I) es diatmico (es decir, Hg221) y el ion nitrito es NO2

2. Por tanto, la frmula es Hg2(NO2)2.

b) Cada ion sulfuro tiene dos cargas negativas y cada ion cesio tiene una carga positiva (el cesio est en el grupo 1A, como el sodio). En consecuencia, la frmula es Cs2S.

c) Cada ion calcio (Ca21) tiene dos cargas positivas, y cada ion fosfato (PO432) tiene tres

cargas negativas. Para que la suma de las cargas sea igual a cero, debemos ajustar el nmero de cationes y aniones:

3(12) 1 2(23) 5 0

As, la frmula es Ca3(PO4)2.

Ejercicio de prctica Escriba las frmulas de los siguientes compuestos inicos: a) sulfato de rubidio, b) hidruro de bario.

EJEMPLO 2.6

Observe que los subndices de este compuesto inico no se reducen a su mnima proporcin, ya que el ion Hg(I) se encuentra en forma de par o dmero.

Problemas similares: 2.59a), b), d ), h), i).


Es muy comn que un par de elementos forme diferentes compuestos. En estos casos se evita la confusin en la nomenclatura de los compuestos mediante el uso de preijos griegos que denotan el nmero de tomos de cada uno de los elementos presentes (vea la tabla 2.4). Analice los siguientes ejemplos:

CO monxido de carbono CO2 dixido de carbono SO2 dixido de azufre SO3 trixido de azufre NO2 dixido de nitrgeno N2O4 tetrxido de dinitrgeno

Las siguientes pautas son tiles para nombrar compuestos con preijos:

r El preijo mono- puede omitirse para el primer elemento de la frmula. Por ejemplo, PCl3 se nombra tricloruro de fsforo y no tricloruro de monofsforo. As, la ausencia de un preijo para el primero de los elementos de la frmula generalmente signiica que slo hay un tomo de ese elemento en la molcula.

r Para el caso de los xidos, en algunas ocasiones se omite la terminacin a del preijo. Por ejemplo, N2O4 se denomina tetrxido de dinitrgeno y no tetraxido de dinitrgeno.

La excepcin para el uso de preijos griegos es el caso de compuestos moleculares que contienen hidrgeno. Tradicionalmente, muchos de estos compuestos se llaman por sus nom-bres comunes no sistemticos, o bien mediante nombres que no indican el nmero de tomos de H presentes:

B2H6 diborano CH4 metano SiH4 silano NH3 amoniaco PH3 fosina H2O agua H2S sulfuro de hidrgeno

Observe que el orden en que se escriben los elementos en las frmulas es irregular para los compuestos que contienen hidrgeno. En el agua y el sulfuro de hidrgeno, se escribe primero el H, en tanto que en los otros compuestos aparece al inal.

En general es muy sencillo escribir las frmulas de los compuestos moleculares. As, el nombre triuoruro de arsnico indica que hay un tomo de As y tres tomos de F en cada mo-lcula y que la frmula molecular es AsF3. Observe que el orden de aparicin de los elementos en la frmula es el mismo que su nombre.

Los compuestos binarios que contienen carbono e hidrgeno son compuestos orgnicos; no siguen las mismas convenciones de nomenclatura. Estudiaremos la nomenclatura de los compuestos orgnicos en el captulo 14.

Prefijo Significado

mono- 1

di- 2

tri- 3

tetra- 4

penta- 5

hexa- 6

hepta- 7

octa- 8

nona- 9

deca- 10

Prefijos griegos utilizados en la nomenclatura de compuestos moleculares

TABLA 2.4

Nombre los siguientes compuestos moleculares: a) SiCl4 y b) P4O10.

Estrategia Para los preijos se hace referencia a la tabla 2.4. En a) hay slo un tomo de Si, as que no utilizamos el preijo mono.

Solucin a) Debido a que hay cuatro tomos de cloro presentes, el compuesto es tetracloruro de silicio.b) Hay cuatro tomos de fsforo y diez tomos de oxgeno presentes, de manera que el

compuesto es decxido de tetrafsforo. Observe que se omite la a del preijo deca.

Ejercicio de prctica Nombre los siguientes compuestos moleculares: a) NF3 y b) Cl2O7.

EJEMPLO 2.7

Problemas similares: 2.57c), i ), j ).


En la igura 2.14 se resumen los pasos para la nomenclatura de los compuestos inicos y de los compuestos moleculares binarios.

Escriba las frmulas qumicas para los siguientes compuestos moleculares: a) disulfuro de carbono y b) hexabromuro de disilicio.

Estrategia Aqu necesitamos convertir los preijos en nmeros de tomos (vea la tabla 2.4). Debido a que no existe preijo para el carbono en a), esto signiica que slo hay un tomo de carbono presente.

Solucin a) Dado que hay un tomo de carbono y dos tomos de azufre presentes, la frmula es CS2.b) Hay dos tomos de silicio y seis tomos de bromo presentes, por lo que la frmula es

Si2Br6.

Ejercicio de prctica Escriba las frmulas qumicas para los siguientes compuestos moleculares: a) tetrauoruro de azufre, b) pentxido de dinitrgeno.

EJEMPLO 2.8

Problemas similares: 2.59g), j ).

Inico

Catin: metlico o NH+4Anin: monoatmico o poliatmico

r$PNQVFTUPTCJOBSJPTEFOPNFUBMFT

$PNQVFTUP

.PMFDVMBS

Catin con NTEFVOBDBSHB

/PNFODMBUVSB

/PNFODMBUVSB

/PNFODMBUVSB

r$BUJPOFTEFNFUBMFTBMDBMJOPTr$BUJPOFTEFNFUBMFTBMDBMJOPUSSFPTr"H+, Al3+, Cd2+, Zn2+

r0USPTDBUJPOFTNFUMJDPT

r/PNCSFQSJNFSPFMNFUBMr4JFTVOBOJONPOPBUNJDPBHSFHVFFMTVKPiVSPuBMBSB[EFMOPNCSFEFMFMFNFOUP

r4JFTVOBOJOQPMJBUNJDPVUJMJDFFMOPNCSFEFMBOJOWFBMBUBCMB

r/PNCSFQSJNFSPFMNFUBMr&TQFDJRVFMBDBSHB

del catin metlico NFEJBOUFONFSPTSPNBOPTFOUSFQBSOUFTJT

r4JFTVOBOJONPOPBUNJDPBHSFHVFiVSPuBMBSB[EFMOPNCSFEFMFMFNFOUP

r4JFTVOBOJOQPMJBUNJDPVUJMJDFFMOPNCSFEFMBOJOWFBMBUBCMB

r6TFQSFKPTQBSBBNCPTFMFNFOUPTQSFTFOUFTFMQSFKPiNPOPuQPSMPHFOFSBMTFPNJUFQBSBFMQSJNFSFMFNFOUPRVFBQBSFDFFOMBGSNVMB

r"HSFHVFFMTVKPiVSPuBMBSB[EFMOPNCSFEFMTFHVOEPFMFNFOUP

Catin con VOBTPMBDBSHB

Figura 2.14 Pasos para la nomenclatura de compuestos inicos y de compuestos moleculares binarios.


cidos y bases

Nomenclatura de cidosUn cido se describe como una sustancia que libera iones hidrgeno (H+) cuando se disuelve en agua. (H1 es equivalente a un protn, y con frecuencia se nombra de esa forma.) Las fr-mulas de los cidos contienen uno o ms tomos de hidrgeno, as como un grupo aninico. Los aniones cuyo nombre termina en uro forman cidos cuyo nombre termina en hdrico, como se muestra en la tabla 2.5. En algunos casos se pueden asignar dos nombres diferentes a la misma frmula qumica.

HCl cloruro de hidrgeno HCl cido clorhdrico

El nombre asignado al compuesto depende de su estado fsico. En estado gaseoso o en estado lquido puro, HCl es un compuesto molecular que recibe el nombre de cloruro de hidrgeno. Cuando se encuentra disuelto en agua, sus molculas se separan en los iones H1 y Cl2; en esta forma, la sustancia se llama cido clorhdrico.

Los oxicidos son cidos que contienen hidrgeno, oxgeno y otro elemento (el elemento central). Las frmulas de los oxicidos por lo general se escriben con el H en primer lugar, seguido por el elemento central y al inal el O. Usamos los siguientes cinco cidos comunes como referencia en la nomenclatura de oxicidos:

H2CO3 cido carbnico HClO3 cido clrico HNO3 cido ntrico H3PO4 cido fosfrico H2SO4 cido sulfrico

Con frecuencia dos o ms oxicidos tienen el mismo tomo central pero diferente nmero de tomos de O. En relacin con los oxicidos cuyos nombres terminan en -ico, se utilizan las siguientes reglas para nombrar estos compuestos:

1. Al agregar un tomo de O al cido -ico, el cido se llamar cido pr...ico. As, la adicin de un tomo de O a HClO3 cambia el nombre de cido clrico a cido perclrico, HClO4.

2. Al quitar un tomo de O al cido -ico, el cido se llama cido -oso. As, el cido n-trico, HNO3, se transforma en cido nitroso, HNO2.

3. Al quitar dos tomos de O del cido -ico, el cido se llama cido hipo...oso. As, cuando HBrO3 se convierte en HBrO, el cido se llama cido hipobromoso.

Observe que todos estos cidos se presentan como compuestos moleculares en la fase gaseosa.

Cl

HCl

H3O+

Cuando se disuelve en agua, la molcula de HCl se convierte en los iones H+ y Cl. El ion H+ se asocia a una o ms molculas de agua, y por lo general se representa como H3O

+.

H

N

HNO3

H

C

H2CO3TABLA 2.5 Algunos cidos sencillos

Anin cido correspondiente

F2 (uoruro) HF (cido uorhdrico)

Cl2 (cloruro) HCl (cido clorhdrico)

Br2 (bromuro) HBr (cido bromhdrico)

I2 (yoduro) HI (cido yodhdrico)

CN2 (cianuro) HCN (cido cianhdrico)

S22 (sulfuro) H2S (cido sulfhdrico)

O

O


Las reglas para nombrar los oxianiones, que son los aniones de los oxicidos, son las siguien-tes:

1. Cuando se quitan todos los iones H del cido -ico, el nombre del anin termina en -ato. Por ejemplo, el anin CO3

22, derivado de H2CO3, se llama carbonato. 2. Cuando se quitan todos los iones H del cido -oso, el nombre del anin termina en

-ito. As, el anin ClO22, derivado de HClO2, se llama clorito.

3. Los nombres de los aniones a los cuales se han quitado uno o ms iones hidrgeno, pero no todos, deben indicar el nmero de iones H presentes. Por ejemplo, considere los anio-nes derivados del cido fosfrico:

H3PO4 cido fosfrico H2PO4

2 dihidrgeno fosfato HPO4

22 hidrgeno fosfato PO4

32 fosfato

Observe que por lo general se omite el preijo mono- cuando slo hay un H en el anin. La igura 2.15 resume la nomenclatura de los oxicidos y de los oxianiones, y en la tabla 2.6 se presentan los nombres de los oxicidos y los oxianiones que contienen cloro.

Figura 2.15 Nomenclatura de oxicidos y oxianiones.

cido hipo- -oso

cido -oso

referencia cido -ico

cido per- -ico

-ito

-ato

per- -ato

Eliminacin de

todos los iones H+

hipo- -ito

OxianinOxicido

+(O)

(O)

(O)

H3PO4

PH

TABLA 2.6 Nombres de oxicidos y oxianiones que contienen cloro

cido Anin

HClO4 (cido perclrico) ClO42 (perclorato)

HClO3 (cido clrico) ClO32 (clorato)

HClO2 (cido cloroso) ClO22 (clorito)

HClO (cido hipocloroso) ClO2 (hipoclorito)

O


En el ejemplo 2.9 se muestra la nomenclatura de un oxicido y un oxianin.

Problema similar: 2.58 f ).

Nomenclatura de basesUna base se describe como una sustancia que libera iones hidrxido (OH2) cuando est di-suelta en agua. Algunos ejemplos son:

NaOH hidrxido de sodio KOH hidrxido de potasio Ba(OH)2 hidrxido de bario

El amoniaco (NH3) es un compuesto molecular en estado gaseoso o en estado lquido puro; tambin se clasiica como base comn. A primera vista podra parecer una excepcin a la deinicin de una base. Pero debe hacerse notar que lo que se requiere para que una sustan-cia se clasiique como base es que libere iones hidrxido cuando est disuelta en agua, y no es necesario que contenga iones hidrxido en su estructura. De hecho, cuando el amoniaco se disuelve en agua, el NH3 reacciona parcialmente con ella para formar iones NH4

1 y OH. Por esta razn se clasiica como base.

Hidratos

Los hidratos son compuestos que tienen un nmero especico de molculas de agua unidas a ellos. Por ejemplo, en su estado normal, cada unidad de sulfato de cobre(II) tiene cinco molculas de agua asociadas a l. El nombre sistemtico para este compuesto es sulfato de cobre(II) pentahidratado, y su frmula se escribe como CuSO4 5H2O. Las molculas de agua se pueden eliminar por calentamiento. Cuando esto ocurre, el compuesto resultante es CuSO4, que suele llamarse sulfato de cobre(II) anhidro; la palabra anhidro signiica que el compues-to ya no tiene molculas de agua unidas a l (igura 2.16). Algunos otros hidratos son:

BaCl2 2H2O cloruro de bario dihidratado LiCl H2O cloruro de litio monohidratado MgSO4 7H2O sulfato de magnesio heptahidratado Sr(NO3)2 4H2O nitrato de estroncio tetrahidratado

Nombre el siguiente oxicido y oxianin: a) H3PO3, b) IO42.

Estrategia Para la nomenclatura del cido en a), primero identiicamos el cido de referencia, cuyo nombre termina con ico, como se muestra en la igura 2.15. En b) necesitamos convertir el anin al cido del que se deriva mostrado en la tabla 2.6.

Solucin a) Empezamos con el cido de referencia, el cido fosfrico (H3PO4). Como el H3PO3 tiene un tomo de O menos, se llama cido fosforoso.

b) El cido del que se deriva es HIO4 Debido a que el cido tiene un tomo de O ms que el cido de referencia, cido ydico (HIO3), se llama cido perydico. En consecuencia, el anin derivado del HIO4 se llama peryodato.

Ejercicio de prctica Nombre el siguiente oxicido y el oxianin: a) HBrO, b) HSO42.

EJEMPLO 2.9


Compuestos inorgnicos comunes

Algunos compuestos se conocen ms por sus nombres comunes que por sus nombres qumi-cos sistemticos. En la tabla 2.7 se muestran algunos ejemplos.

2.8 Introduccin a los compuestos orgnicos

Los hidrocarburos constituyen el tipo ms sencillo de compuestos orgnicos; contienen slo tomos de carbono e hidrgeno. Los hidrocarburos se utilizan como combustibles para la ca-lefaccin domstica e industrial, para generar electricidad y suministrar energa a motores de combustin, y como materia prima para la industria qumica. Una clase de hidrocarburos se denominan alcanos. La tabla 2.8 muestra los nombres, frmulas y modelos moleculares para los primeros diez alcanos de cadena lineal, es decir, cadenas que no tienen ramiicaciones. Observe que todos los nombres tienen la terminacin ano. A partir del compuesto de frmu-la C5H12, se utilizan los preijos griegos de la tabla 2.4 para indicar el nmero de tomos de carbono presentes.

La qumica de los compuestos orgnicos est determinada en gran parte por los grupos funcionales, los cuales constan de uno o varios tomos enlazados en forma especica. Por

Figura 2.16 El CuSO4 5H2O (izquierda) es azul; el CuSO4 (derecha) es de color blanco.

TABLA 2.7 Nombres comunes y sistemticos de algunos compuestos

Frmula Nombre comn Nombre sistemtico

H2O Agua Monxido de dihidrgeno

NH3 Amoniaco Nitruro de trihidrgeno

CO2 Hielo seco Dixido de carbono slido

NaCl Sal de mesa Cloruro de sodio

N2O Gas hilarante Monxido de dinitrgeno

CaCO3 Mrmol, greda, piedra caliza Carbonato de calcio

CaO Cal viva xido de calcio

Ca(OH)2 Cal apagada Hidrxido de calcio

NaHCO3 Polvo para hornear Hidrgeno carbonato de sodio

Na2CO3 ? 10H2O Sosa para lavar Carbonato de sodio decahidratado

MgSO4 ? 7H2O Sal de Epsom Sulfato de magnesio heptahidratado

Mg(OH)2 Leche de magnesia Hidrxido de magnesio

CaSO4 T2H2O Yeso Sulfato de calcio dihidratado

432.8 Introduccin a los compuestos orgnicos

ejemplo, cuando un grupo hidroxilo (OH), un grupo amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH) reemplazan a un tomo de H en el metano, se generan las siguientes molculas:

TABLA 2.8 Los primeros diez alcanos de cadena lineal

Nombre Frmula Modelo molecular

Metano CH4

Etano C2H6

Propano C3H8

Butano C4H10

Pentano C5H12

Hexano C6H14

Heptano C7H16

Octano C8H18

Nonano C9H20

Decano C10H22

H

H OHC

H

Metanol

H

H NH2C

H

Metilamina

H

H CC OH

H O

cido actico

CH3OH

CH3NH2

CH3COOH

CN


Las propiedades qumicas de estas molculas se pueden predecir con base en la reactividad de los grupos funcionales. Aunque no se estudiar la nomenclatura de las principales cla- ses de compuestos orgnicos y sus propiedades en trminos de los grupos funcionales sino hasta el captulo 14, utilizaremos con frecuencia ciertos compuestos orgnicos como ejemplos para ilustrar los enlaces qumicos, las reacciones cido-base y otras propiedades a lo largo del libro.

Nmero de masa 5 nmero de protones 1 nmero de neutrones 5 nmero atmico 1 nmero de neutrones (2.1)

Ecuaciones bsicas

Resumen de conceptos

1. La qumica moderna empez con la teora atmica de Dal-ton, que establece que toda la materia est compuesta por partculas pequeas e indivisibles llamadas tomos; que to-dos los tomos del mismo elemento son idnticos; que los compuestos contienen tomos de diferentes elementos com-binados en proporcin de nmeros enteros, y que los to-mos no se crean ni se destruyen durante las reacciones qumicas (ley de la conservacin de la masa).

2. Los tomos de los elementos que constituyen un compuesto en particular siempre se combinan en la misma proporcin en masa (ley de las proporciones deinidas). Cuando dos elementos se combinan para formar ms de un compuesto, la masa del elemento que se combina con una cantidad ija de masa del otro elemento siempre es una relacin de nme-ros enteros pequeos (ley de las proporciones mltiples).

3. Un tomo est constituido por un ncleo central muy denso, que contiene protones y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del ncleo a una distancia relativamente grande.

4. Los protones estn cargados positivamente, los neutrones no tienen carga y los electrones estn cargados negativa-mente. Los protones y neutrones tienen casi la misma masa, que es alrededor de 1 840 veces mayor que la masa de un electrn.

5. El nmero atmico de un elemento es el nmero de proto-nes presentes en el ncleo de un tomo de ese elemento;

determina su identidad. El nmero de masa es la suma del nmero de protones y de neutrones presentes en el ncleo.

6. Los istopos son tomos de un mismo elemento, con el mismo nmero de protones pero diferente nmero de neu-trones.

7. En las frmulas qumicas se combinan los smbolos de los elementos que las forman, utilizando como subndices n-meros enteros para indicar el tipo y nmero de tomos con-tenidos en la unidad ms pequea de un compuesto.

8. La frmula molecular indica el nmero y tipo especico de tomos combinados en cada molcula de un compuesto. La frmula emprica muestra la relacin ms sencilla de los tomos que forman una molcula.

9. Los compuestos qumicos pueden ser compuestos molecu-lares (en los que la unidad ms pequea son molculas indi-viduales discretas) o bien compuestos inicos, constituidos por cationes y aniones.

10. Los nombres de muchos compuestos inorgnicos se dedu-cen a partir de algunas reglas sencillas. Las frmulas se pueden escribir a partir de los nombres de los compuestos.

11. Los compuestos orgnicos contienen carbono y elementos como hidrgeno, oxgeno y nitrgeno. Los hidrocarburos son el tipo ms sencillo de compuestos orgnicos.

Desarrollo de competencias

Estructura del tomo

Preguntas de repaso

2.1 Deina los siguientes trminos: a) partcula a, b) partcula b, c) rayo g, d) rayos X.

2.2 Nombre los tipos de radiacin que se conocen, que emiten los elementos radiactivos.

2.3 Compare las propiedades de las siguientes partculas: partculas a, rayos catdicos, protones, neutrones y elec-trones.

2.4 Cul es el signiicado del trmino partcula elemental?

2.5 Describa la contribucin de cada uno de los siguientes cienticos al conocimiento actual de la estructura atmica:

45Desarrollo de competencias

J. J. Thomson, R. A. Millikan, Ernest Rutherford y James Chadwick.

2.6 Describa el experimento en el que se bas la idea de que el ncleo ocupa una fraccin muy pequea del volumen total del tomo.

Problemas

2.7 El dimetro de un tomo de helio es alrededor de 1 3 102 pm. Suponga que se pudieran alinear los tomos de helio de forma que tuvieran contacto unos con otros. Aproxima-damente, cuntos tomos se necesitaran para cubrir una longitud de 1 cm?

2.8 En trminos generales, el radio de un tomo es aproxima-damente 10 000 veces mayor que su ncleo. Si un tomo pudiera ampliicarse de manera que el radio de su ncleo midiera 2.0 cm, casi el tamao de una canica, cul sera el radio del tomo en millas? (1 mi 5 1 609 m).

Nmero atmico, nmero de masa e istopos

Preguntas de repaso

2.9 Con el istopo de helio-4 deina nmero atmico y n-mero de masa. Por qu el conocimiento del nmero at-mico permite deducir el nmero de electrones presentes en un tomo?

2.10 Por qu todos los tomos de un elemento tienen el mismo nmero atmico, a pesar de que pueden tener diferentes nmeros de masa?

2.11 Cmo se llaman los tomos del mismo elemento pero con diferentes nmeros de masa?

2.12 Explique el signiicado de cada uno de los trminos en el smbolo AZX.

Problemas

2.13 Cul es el nmero de masa de un tomo de hierro que tiene 28 neutrones?

2.14 Calcule el nmero de neutrones de 239Pu.2.15 Para cada una de las siguientes especies, determine el n-

mero de protones y el nmero de neutrones en el ncleo:

23

24

1224

1225

2248

3579H H Mg Mg Ti Bre, e, , , , , 78

195Pt

2.16 Indique el nmero de protones, neutrones y electrones en cada una de las siguientes especies:

715

1633

2963

3884

56130

74186N S Cu Sr Ba, , , , , WW Hg, 80

202

2.17 Escriba el smbolo adecuado para cada uno de los siguien-tes istopos: a) Z 5 11, A 5 23; b) Z 5 28, A 5 64.

2.18 Escriba el smbolo adecuado para cada uno de los siguien-tes istopos: a) Z 5 74, A 5 186; b) Z 5 80, A 5 201.

La tabla peridica

Preguntas de repaso

2.19 Qu es la tabla peridica y cul es su importancia en el estudio de la qumica?

2.20 Mencione dos diferencias entre un metal y un no metal.

2.21 Escriba los nombres y smbolos de cuatro elementos de cada una de las siguientes categoras: a) no metal, b) metal y c) metaloide.

2.22 Deina con dos ejemplos los siguientes trminos: a) meta-les alcalinos, b) metales alcalinotrreos, c) halgenos, d) gases nobles.

Problemas

2.23 Los elementos cuyos nombres tienen la terminacin io, generalmente son metales; por ejemplo, el sodio. Identii-que un no metal cuyo nombre tambin termine con io.

2.24 Describa los cambios en las propiedades (de metales a no metales o bien de no metales a metales) segn se analiza: a) un grupo peridico hacia abajo y b) a lo largo de la tabla peridica (horizontalmente).

2.25 Con la ayuda de un manual de propiedades qumicas y f-sicas (pregunte a su profesor por un manual) encuentre: a) dos metales menos densos que el agua, b) dos metales ms densos que el mercurio, c) el elemento slido metlico ms denso que se conoce, d) el elemento slido no met-lico, conocido, con mayor densidad.

2.26 Agrupe los siguientes elementos por pares, segn sus pro-piedades qumicas semejantes: K, F, P, Na, Cl y N.

Molculas y iones

Preguntas de repaso

2.27 Cul es la diferencia entre un tomo y una molcula?

2.28 Qu son altropos? D un ejemplo. Cul es la diferencia entre altropos e istopos?

2.29 Describa los dos tipos de modelos moleculares de empleo comn.

2.30 Proporcione un ejemplo para: a) un catin monoatmico, b) un anin monoatmico, c) un catin poliatmico, d) un anin poliatmico.

Problemas

2.31 Cul de los siguientes diagramas representa molculas diatmicas, molculas poliatmicas, molculas que no son compuestos, molculas que son compuestos, o una forma elemental de la sustancia?

a) c)b)


2.32 Cul de los siguientes diagramas representa molculas diatmicas, molculas poliatmicas, molculas que no son compuestos, molculas que son co

Atomos, Moleculas e Iones

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