QUÍMICA PARA INGENIERÍAS ELECTRÓNICA, ELECTRICISTA, MECÁNICA Y AERONÁUTICA. Anexo al Módulo III- Primera Clase. Formulación y nomenclatura de compuestos inorgánicos. Aquí trataremos de aprender a escribir fórmulas de compuestos orgánicos y a nombrarlos. Este aprendizaje se desarrolla en gran parte asentado sobre una metodología sistemática que surge de los estados de oxidación de los elementos, y que conduce a la deducción del nombre o fórmula de un compuesto, aunque en parte debe recurrirse también a la memoria, lamentablemente. De todas maneras una intensa ejercitación le permitirá familiarizarse rápidamente con el simbolismo y vocabulario químicos. Las reglas indicadas aquí son las que rigen de acuerdo a lo establecido en la materia por la I.U.P.A.C. 1. En principio, y en forma general, digamos que la porción más positiva de un compuesto se escribe en primer término en las fórmulas, pero se nombra último y generalmente está constituída por un metal (en óxidos, hidróxidos y sales), el hidrógeno (en los ácidos) o un no metal combinado con otro no metal más electronegativo, como el oxígeno (en los óxidos ácidos), el azufre o los halógenos. Existen diversos sistemas para la nomenclatura de compuestos inorgánicos. En este libro proporcionaremos inicialmente la nomenclatura más sistemática y, por lo tanto, la más recomendada; sin embargo, también serán incluídas otras nomenclaturas que subsisten, por razones históricas o de hábito, para algunos grupos de compuestos. 1. Oxidos Comenzaremos por un grupo muy amplio de compuestos binarios ( constituidos solo por dos elementos) en los cuales el oxígeno participa con estado de oxidación -2. El otro elemento, metal o no metal, deberá actuar con estado de oxidación positivo, por lo que existe una excepción entre los elementos de la tabla periódica que es el flúor ( no actúa jamás con estado de oxidación positivo por ser el elemento más electronegativo de la tabla). La construcción de óxidos (y de compuestos binarios) resulta muy sencillo si tenemos en cuenta que un compuesto debe tener una suma de estados de oxidación igual a cero. De este modo, si el otro elemento actúa con +1, necesitaremos dos átomos por cada oxígeno para dar un compuesto neutro. Si al otro elemento, lo representamos genéricamente como X, la fórmula del compuesto será X2O. Este ejemplo habrá demostrado que, en realidad, no importa cual es el otro elemento sino con que estado de oxidación está actuando. De este modo, dado que los estados de oxidación positivos pueden variar entre +1 y -8 para los diferentes elementos de la tabla periódica los óxidos deberán tener alguna de las fórmulas indicadas en la siguiente tabla: Fórmulas posibles para óxidos Estado de oxidación Fórmula Estado de oxidación Fórmula +1 X2O +5 X2O5 +2 XO +6 XO3 +3 X2O3 +7 X2O7 +4 XO2 +8 XO4 Como hemos adelantado, todas las nomenclaturas comienzan por colocar el nombre que representa la "parte cargada negativamente (real o convencionalmente)" y terminan con la "parte positiva" de la molécula. En el caso de los óxidos, es la palabra óxido la que indicará la parte negativa y se nombrará primero, mientras que la parte positiva es el otro elemento que se nombrará al final. Para el caso de los compuestos binarios, existen dos nomenclaturas habitualmente recomendadas: ? Nomenclatura Sistemática de Stock o de Numeración Romana: esta nomenclatura implica el conocimiento del concepto de estado de oxidación. En este sistema, la nomenclatura será: Oxido de (nombre del otro elemento) (estado de oxidación en números romanos) El estado de oxidación deberá agregarse salvo que se conozca inequívocamente el estado de oxidación del elemento que se une al oxígeno. Veamos algunos ejemplos Cu2O óxido de cobre (I) CuO óxido de cobre (II) Cl2O3 óxido de cloro (III) Na2O óxido de sodio FeO óxido de hierro (II) PbO2 óxido de plomo (IV) Este sistema se utiliza frecuentemente cuando se trata de óxidos básicos (el elemento unido al oxígeno es un metal). ? Sistema de Prefijos Griegos: esta nomenclatura solo consiste en indicar el número de átomos de cada elemento incluidos en la fórmula. A continuación indicamos la lista de prefijos y su significado numérico: Prefijo Número Prefijo Número Mono 1 Penta 5 Di 2 Hexa 6 Tri 3 Hepta 7 Tetra 4 Octa 8 Veamos los siguientes ejemplos: N2O monóxido de dinitrógeno P2O5 pentóxido de difósforo Cl2O3 trióxido de dicloro Si el elemento electropositivo tiene un subíndice "l", el prefijo "mono" no se indica: SO2 dióxido de azufre CrO3 trióxido de cromo CuO monóxido de cobre Esta nomenclatura se utiliza con preferencia (aunque no con exclusividad) para óxidos ácidos (donde el elemento electropositivo es un no metal). Una nomenclatura que ha sido reemplazada, es la llamada clásica o funcional. Esta nomenclatura se construye de modo semejante a la llamada nomenclatura de Stock, salvo que en lugar de indicar el estado de oxidación con números romanos, la distinción entre los diferentes óxidos que forma un mismo elemento electropositivo se hace modificando el nombre de este último. Para ello se le adiciona la terminación ico al elemento electropositivo cuando actúa con el estado de oxidación más frecuente (habitualmente, un estado de oxidación intermedio). Por esta razón, el hierro (III) podemos reemplazarlo por "férrico", al cobre (II) por "cúprico", etc. Si el elemento actúa con un estado de oxidación inferior, la terminación usada es oso, el hierro (II) será "ferroso", el cobre (I) será "cuproso", etc. FeO óxido ferroso Fe2O3 óxido férrico SO2 óxido sulfuroso SO3 óxido sulfúrico Esta nomenclatura exige el conocimiento de los otros estados de oxidación del elemento cuando se pretende nombrar un óxido cualquiera. Resumiremos las tres nomenclaturas en el siguiente ejemplo: Nombrar los siguientes compuestos según los 3 sistemas de nomenclatura: a) Cu2O b) As2O3 c) SnO2 d)PbO Sistema de prefijos Griegos Sistema de Stock Sistema funcional antiguo a) monóxido de cobre Óxido de cobre (I) Óxido cuproso b) trióxido de diarsénico Óxido de arsénico (III) Óxido arsenioso c) dióxido de estaño Óxido de estaño (IV) Óxido estánnico d) monóxido de plomo Óxido de plomo (II) Óxido plumboso 2. Peróxidos Este es otro grupo de compuestos binarios en los cuales también participa el oxígeno. El estado de oxidación del oxígeno en ellos es -1 y se caracterizan por presentar la especie peróxido O2-2 (dos oxígenos unidos entre sí). Para nombrarlos usamos la nomenclatura de Stock vista para óxidos reemplazando esta palabra por peróxido. Los más importantes son: Na2O2 peróxido de sodio H2O2 peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) BaO2 peróxido de bario 3. Compuestos binarios con hidrógeno Otro elemento frecuente en compuestos binarios es el hidrógeno. Suele llamarse hidruros a todos estos compuestos. Sin embargo, como veremos en adelante, la terminación "uro" se reserva para partes negativas de una molécula siempre que no contengan oxígeno. De este modo, el término hidruro debería reservarse para los compuestos en los cuales el hidrógeno actúa con -1, lo cual solo se cumple cuando el otro elemento es un metal (estrictamente, cuando es un metal del primer o segundo grupo de la tabla). Diferenciaremos a estos últimos (llamados hidruros metálicos) de los hidruros formados con no metales (habitualmente denominados hidruros covalentes). Hidruros metálicos Estos compuestos contienen, como adelantamos, al hidrógeno con estado de oxidación -1 y un metal, obviamente con estado de oxidación positivo. La construcción será similar a la realizada para óxidos: si el metal (M) tiene estado de oxidación +1, la fórmula del hidruro será MH, mientras que si el metal actúa con +2, el hidruro será MH2. Las tres nomenclaturas vistas para el caso de los óxidos son potencialmente aplicables también en este caso, con el obvio reemplazo de "óxido" por "hidruro", no obstante, frecuentemente se aplican solo la nomenclatura de Stock y la funcional antigua. KH hidruro de potasio CaH 2 hidruro de calcio CuH hidruro de cobre (I) o hidruro cuproso Hidruros covalentes Dentro de este grupo, en el cual el hidrógeno siempre actúa con -1, podemos diferenciar en forma clara, un subgrupo con propiedades químicas particulares cuando son disueltos en agua y otro subgrupo integrado por compuestos con propiedades variables y que reciben, en general, nombres triviales. Entre estos últimos podemos mencionar: NH3 amoníaco PH3 fosfina SiH4 silano AsH3 arsina BH3 borano El otro subgrupo está constituído fundamentalmente por los siguientes compuestos: HF HCl HBr HI H2S En estos compuestos, la "parte negativa" la constituye el elemento que acompaña al hidrógeno y en todos estos casos, no incluye al oxígeno. Como adelantamos, en estos casos se usa la terminación "uro" para nombrar esa parte de la molécula. De ese modo, los nombres de los compuestos anteriores serán: Fluoruro de hidrógeno Cloruro de hidrógeno Bromuro de hidrógeno Ioduro de hidrógeno Sulfuro de hidrógeno Estos compuestos tienen la particularidad de disolverse en agua y generar iones H+ (protones); esa propiedad los identifica como ácidos y les proporciona el nombre habitual de hidrácidos. Esta propiedad es suficientemente importante como para que se denomina en forma diferente a aquellos compuestos cuando están disueltos en agua. En este caso, se le adiciona el prefijo "ácido" para indicar su propiedad y se coloca la terminación "hídrico" al elemento más electronegativo para indicar que están disueltos en agua. Los nombres son, en el mismo orden que se han citado más arriba, los siguientes: Acido Fluorhídrico Acido Clorhídrico Acido Bromhídrico Acido Iohídrico Acido Sulfhídrico Estos compuestos al disolverse en agua generan, como hemos dicho, protones y aniones que, por no poseer oxígeno, se denominaran: Fluoruro (F-) Cloruro (Cl-) Bromuro (Br-) Ioduro (I-) Sulfuro (S-2) El ácido sulfhídrico podría perder un solo protón dando el anión HS- que de denomina hidrógeno sulfuro. Existe un compuesto de estas características pero que no es binario sino ternario (posee tres elementos): HCN Acido cianhídrico que al disolverse en agua genera un anión denominado cianuro (CN-). 4. Hidróxidos Son los compuestos cuya porción negativa está constituída por el ión OH- (ión hidróxido), el cual se combina con un catión metálico. La fórmula general será: M(OH)n Donde n es el estado de oxidación del metal. Habitualmente se utiliza el sistema funcional antiguo o el de Stock. Ca(OH)2 hidróxido de calcio Fe(OH)3 hidróxido férrico o hidróxido de hierro (III) Mn(OH)2 hidróxido manganoso o hidróxido de manganeso (II) Estos compuestos tienen la particularidad de generar iones OH- e iones metálicos cuando se disuelven en agua. Debido a esta propiedad, también se incluye un compuesto que no responde exactamente a la fórmula general indicada más arriba. Nos referimos a un compuesto hipotético de fórmula NH4OH que, en realidad, representa al NH3 (amoníaco) en agua. Estas soluciones contienen OH- y NH4+ (amonio) por lo que habitualmente se denomina hidróxido de amonio. El ión amonio tiene un comportamiento en solución semejante a un catión monovalente del tipo de Na+, K+, etc. 5. Acidos Ternarios Los ácidos ternarios son compuestos formados por un elemento no metálico -aunque a veces puede tratarse de un metal de transición- en estado de oxidación positivo, combinado con el oxígeno y el hidrógeno, y se agrupan bajo la denominación general de oxácidos. Pueden representarse por la fórmula general: HxMoy en la que M simboliza al elemento central con No de oxidación positivo. Existen ciertos ácidos que poseen más de un átomo del elemento central en sus moléculas -denominadas poliácidos-, pero no serán considerados por ahora. Existe un modo sencillo de construir los oxácidos es la siguiente: se toma al elemento central, cuyo estado de oxidación será como hemos dicho, siempre positivo, y se le adicionan tntos oxígenos como sean necesarios para neutralizar y superar la carga positiva del elemento central (recuerde que el oxígeno actúa con -2); finalmente se agregan tantos hidrógenos como sean necesarios para neutralizar el exceso de cargas negativas. Veamos un par de ejemplos: Escriba las fórmulas de los oxácidos correspondientes al azufre (+6) y al nitrógeno (+5). Comencemos con el azufre (+6). Debemos agregar 4 oxígenos para que el balance de cargas arroe el primer resultado negativo (-2) por lo que serán necesarios 2 hidrógenos para obtener una molécula neutra: H2SO4 Por otro lado , el nitrógeno (+5) exigirá 3 oxígenos para dar un balance de carga negativa (-1); de ese modo, será necesario 1 hidrógeno para dar el oxácido: HNO3 Existen dos nomenclaturas utilizadas para este tipo de compuestos: la Nomenclatura sistemática de Stock y la Nomenclatura Funcional o Clásica. Ambas nomenclaturas tienen algo en común: anteponen el nombre "ácido" a cada uno de estos compuestos de modo semejante a lo que mostramos para hidrácidos. Este nombre tiene en duenta la propiedad de todos estos compuestos en agua: generan protones. La nomenclatura sistemática para un oxácido implica indicar el número de átomos de oxígeno mediante los prefijos griegos (que hemos visto anteriormente) y la palabra "oxo" (que indica oxígeno); luego se agrega el nombre del elemento con terminación "ico" y el estado de ocidación de este último elemento. Esquemáticamente será: Ácido (prefijo griego) Oxo (nombre del elemento) ico (estado de oxidación) Nombraremos los dos compuestos anteriores y algunos otros: H2SO4 Acido tetraoxosulfúrico (VI) HNO3 Acido trioxonítrico (V) HNO2 Acido dioxonítrico (III) HClO Acido oxoclórico (I) Debe notarse que en esta nomenclatura no es necesario saber si el elemento tiene o no otros estados de oxidación; es más, no es necesario que conozcamos si tiene o no otros estados de oxidación. Esta nomenclatura es sencilla tanto para nombrar un compuesto como para construirla conociendo el nombre. Veamos el siguiente ejemplo: si el compuesto se denomina Acido tetraoxosilícico (IV), sabemos que el silicio estará acompañado por 4 átomos de oxígeno. Estos átomos aportan en total 8 cargas negativas de las cuales 4 son neutralizadas por el silicio mientras que las otras 4 serán neutralizadas por 4 átomos de hidrógeno: H4SiO4 La nomenclatura funcional, en cambio, no aclara el número de átomos de oxígeno y no adiciona explícitamente el estado de oxidación sino que los diferencia mediante la incorporación de terminaciones distintas, como lo hemos visto para compuestos binarios. Así, si un elemento es capaz de formar dos oxácidos utilizando distintos estados de oxidación, el construido con el elemento con su mayor estado de oxidación tendrá terminación "ico" mientras que si está construído con el menor estado de oxidación, la terminación será "oso". Observando las fórmulas de los oxácidos formados por un elemento, es fácil comprobar que aquella que posee mayor número de átomos de oxígeno contiene al elemento en su mayor estado de oxidación. Veamos un par de ejemplos; al lado de la nomenclatura funcional le hemos agregado la nomenclatura sistemática para poder comparar: H2SO3 Acido sulfuroso Acido trioxo sulfúrico (IV) H2SO4 Acido sulfúrico Acido tetra oxo sulf úrico (VI) Analizando el ejemplo, el lector podría pensar que la nomenclatura funcional es más sencilla, sin embargo, recordemos que es necesario conocer los estados de oxidación del elemento. Más aún, existen casos donde el elemento puede formar más de dos oxácidos utilizando siempre estados de oxidación distintos. Un ejemplo, el el cloro que puede formar los siguientes óxidos, con estado de oxidación +1, +3, +5, +7 para el cloro: HClO, HClO2, HClO3 y HClO4 Estos compuestos se pueden nombrar fácilmente con la nomenclatura sistemática (inténtelo!), pero la nomenclatura funcional implica una complicación adicional: dado que las terminaciones son solo dos y aquí se deben nombrar 4 compuestos, debemos utilizar dos prefijos: "per" o "hiper" (manteniendo la terminación ico) cuando se trata del mayor estado de oxidación e "hipo" (con la terminación oso) cuando se trataa del estado de oxidación más bajo utilizado por el emento para formar oxácidos. Así, los nombres de los cuatro compuestos indicados, será: HClO Acido hipocloroso HClO2 Acido cloroso HClO3 Acido clórico HClO4 Acido perclórico Los oxoácidos generan protones en solución acuosa (o los intercambian durante las reacciones qu ímicas). De ese modo también generan aniones que contienen oxígeno (oxoaniones). Estos aniones se nombran reemplazando la terminación "ico" de los ácidos por "ato" en el caso de la nomenclatura sistemática. En el caso de la nomenclatura funcional, las terminaciones "ico" y "oso"de los ácidos se reemplaza por "ato" e "ito". Daremos una lista de algunos de estos aniones" Anión Nomenclatura Funcional Nomenclatura Sistemática NO3- nitrato trioxonitrato (V) NO2- nitrito dioxonitrato (III) SO3-2 sulfito trioxosulfato (IV) SO4-2 sullfato tetraoxosulfato (VI) ClO- hipoclorito oxoclorato (I) ClO2- clorito dioxoclorato (III) ClO3- clorato trioxoclorato (V) ClO4- perclorato tetraoxoclorato (VII) En ocasiones, como hemos visto, para el ácido sulfhídrico, los ácidos que contenían más de un protón (polipróticos) no pierden todos sus protones por lo que pueden generar aniones que se denominan hidrogenados ( pues contienen hidrógeno). En algunos casos al nombre del anión debe anteponerse la palabra hidrógeno aclarando, si es necesario, mediante el prefijo griego correspondiente, cuantos hidrógenos contiene. Veamos algunos ejemplos: Anión Nomenclatura Funcional Nomenclatura Sistemática H2PO4-2 dihidrógenofosfato dihidrógenotetraoxofosfato (V) HPO4- hidrógenofosfato hidrógenotetraoxofosfato (V) HSO4- hidrógenosulfato hidrógenotetraoxosulfato (VI) HCO3- hidrógenocarbonato hidrógenotrioxocarbonato HSO3- hidrógenosulfito hidrógenotrioxosulfato (IV) Estos aniones también reciben otros nombres funcionales poco recomendables que indicamos: fosfato diácido; fosfato monoácido, sulfato ácido (o bisulfato); carbonato ácido (bicarbonato) y sufito ácido (bisulfito), respectivamente. Hay otros oxoaniones cuyo elemento central es un metal. Damos aquí una lista de los más importantes: Anión Nomenclatura Funcional Nomenclatura Sistemática MnO4- permanganato tetraoxomanganato (VII) MnO4-2 manganato trioxomanganato (VI) CrO4-2 cromato tetraoxocromato (VI) Por último, daremos una lista de aniones importantes que no pueden deducirse tal cual lo hemos realizado hasta ahora. Incluiremos para ellos, su nombre habitual: S2O3-2 tiosulfato S4O6-2 tetrationato Cr2O7-2 dicromato 6. Sales El lector habrá notado que hasta el momento analizamos los siguientes tipos de compuestos: Elementos que se combinan Fórmula general Tipo de compuesto Oxígeno y metal/no metal [OnMm][OnXm] Oxidos Hidrógeno y metal/no metal [HnM] [HnX] Hidruros Metal, Oxígeno e Hidrógeno [M(OH)n] Hidróxidos No metal, Oxígeno e Hidrógeno [XOnHm] Oxácidos En esta lista no hemos incluído hasta ahora, ningún compuesto en el cual se combinen metal y no metal (excluyendo de esta última clasificación al hidrógeno y al oxígeno). Los compuestos que incluyan estos elementos (y en ocasiones también al oxígeno) se denominan sales. Las sales se construyen con los aniones provenientes de ácidos (hidrácidos u oxácidos) y con los cationes provenientes de hidróxidos, formando compuestos neutros. Los nombres se forman nombrando el anión y al catión del siguiente modo: [nombre del anión] de [nombre del catión] Veremos algunos ejemplos usando la nomenclatura funcional. Dejamos al lector la tarea de nombrarlos con la nomenclatura sistemática: Sal Nomenclatura Funcional NaCl cloruro de sodio K2SO4 sulfato de potasio FePO4 fosfato férrico CuBr2 bromuro cúprico Ca(BrO)2 hipobromito de calcio KCN cianuro de potasio NH4NO3 nitrato de amonio Al2(CO3)3 carbonato de aluminio FeCl2 cloruro ferroso Ba(ClO4)2 perclorato de bario HgI2 ioduro mercúrico Ag2Cr2O7 dicromato de plata Cr2S3 sulfuro de cromo (III) Na2S2O3 tiosulfato de sodio CaSO3 sulfito de calcio Es posible utilizar aniones hidrogenados de los incluídos en la sección anterior. En ese caso, formamos sales hidrogenadas (o mal llamadas sales ácidas para diferenciarlas de las anteriores que habitualmente se llaman sales neutras). Damos algunos ejemplos: KHSO4 hidrógeno sulfato de potasio Ca(HS)2 hidrógeno sulfato de calcio Cr(H2PO4)3 dihidrógeno fosfato de cromo (III) NH4CO3H hidrógeno carbonato de amonio ------------------------------------------------------------------------------------- Este apunte fue tomado de "Principios Básicos de Química" J.M. Martínez y E.R. Donati. EJERCICIOS PROPUESTOS 1.- Escribir la fórmula de los óxidos de los siguientes metales que actúan con el número de oxidación indicado y dar su nomenclatura: Li+1; Ca+2; Al+3; Co+2; Co+3; Pb+2; Pb+4; Au+1; Au+3; Cr+3; Cr+6; Mn+4 2.- Idem para los siguientes no metales: C+2; C+4; N+1; N+2; N+3; N+4; N+5; S+4; S+6; Cl+7; I+5; Br+1 3.- Escribir las fórmulas de los hidróxidos correspondientes a los siguientes metales y nombrarlos: Na, Mg, Al, Zn, Cu, Fe 4.- Dados los nombres de los siguientes compuestos, escribir su fórmula e indicar si se trata de óxidos ácidos (o no metálicos), óxidos básicos (o metálicos), oxácidos o hidrácidos: a) pentóxido de divanadio b) ácido bromhídrico c) ácido hipocloroso d) decóxido de tetrafósforo e) hexóxido de diarsénico f) óxido de niquel (III) g) ácido perbrómico h) dióxido de titanio 5.- Dadas las siguientes fórmulas, dar las nomenclaturas correspondientes e indicar si se trata de óxidos ácidos o básicos, hidróxidos, hidruros, oxácidos o hidrácidos: a) H2S b)HClO3 c)HK d) NiO h) SiO2 i) NH4OH j) HF k) Ag2O e) P4O6 f) Ba(OH)2 l) H3PO4 m) CaH2 g) HClO2 n) Rb2O 6.- Dar la fórmula y nomenclatura de las sales que se forman por combinación de los siguientes aniones: S-2; Cl-1; BrO3-1; NO3-1; HCO3-1; SO4-2; PO4-3; HPO3-2 con cada uno de los siguientes cationes: Al+3; Fe+3; Cu+2; Hg+2; Na+1; NH4+1 7.- Nombrar los siguientes compuestos e indicar de qué tipo de sustancia se trata: a) K2O b) FeO c) Cr2O3 d) Cl2O e) N2O4 f) NH3 g) Cl2O3 h) H2O2 i) LiH j)HNO2 k) HI l) BaH2 m) HClO2 n) HIO4 ñ) CaCO3 o) AgCl p) FePO4 q) Fe3(PO4)2 r) ZnHPO3 s) Sb(OH)3 t) CoF2 u) Au(NO3)3 v) Ni(OH)2 w)AgClO3 x) NaNO2 y) SnCl2 z)H2S 8.- Escribir las fórmulas de los siguientes compuestos e indicar de que tipo de sustancia se trata: a) óxido de bromo (III) b) hidrógeno sulfito de cobre (II) c) dióxido de carbono d) óxido de bario e) cloruro de niquel (II) f) trióxido de dinitrógeno g) sulfato de amonio h) ioduro de calcio i) nitrito de hierro (II) j) hidrógeno carbonato de cromo (III) k) ácido perbrómico l) óxido de plomo (II) m) cloruro de mercurio (I) n) hidróxido de bario ñ) clorito de plomo (II) o) clorato de cobre (II) p) sulfuro de hidrógeno q) sulfito de calcio r) trióxido de cromo s) hidruro de potasio t) pertóxido de dicloro u) dihidrógeno fosfato de cinc v) nitrato de plata w) hipoclorito de aluminio x) hipoclorito de sodio y) ácido sulfuroso z) ácido fosforoso