Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031
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ISBN: 978-607-32-1061-4
Impreso en México. Printed in Mexico
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Ing. José A. Beltethón Escobar
Dedicado a:
Mi madre, María Escobar, quien me ha enseñado a ser quien soy.
Mi padre, Luis Beltethón, por sus consejos y orientaciones.
Mi hermana Paolita, por apoyarme siempre y motivarme.
Licda. Karem Malouf Sierra
Dedicado a:
Mi madre, Eugenia Sierra de Malouf, por su amor y orientación.
Mi padre, Jorge Malouf Gabriel, por su ejemplo profesional y de lucha.
Mis hermanos Jorge y Kevin, por darme un ejemplo de formación.
Guatemala 2012
Prólogo ix
Guía para el uso del texto xi
Capítul o I Conceptos básicos 1
Generalidades de la estructura atómica 2
Regla del octeto y los iones 3
La valencia de un átomo 3
Clasificación periódica de los elementos 4
El calcio en el organismo 5
Capítul o I I Nomenclatura química inorgánica 11
Clasificación de los compuestos químicos inorgánicos 12
Reglas básicas de nomenclatura química inorgánica 13
Capítul o II I Nomenclatura de compuestos binarios 21
Compuestos binarios que contienen hidrógeno 22
Hidruro de sodio 26
Ácido clorhídrico 27
Compuestos binarios que contienen oxígeno 28
Formación de óxido hiponitroso 33
El superóxido de potasio es útil para los bomberos 39
Compuestos binarios sin hidrógeno y sin oxígeno 39
Prólogo
Estimado lector:
Durante generaciones hemos tenido la dificultad para comunicar la química. Así como en la escritura aprendemos el alfabeto para luego formar palabras, en la química existe la necesidad de tener un lenguaje que fomente una forma de expresión mucho más sencilla.
Este manual de nomenclatura expone el arte de aprender a comunicarnos con el lenguaje químico, además de utilizar el pensamiento crítico y aprender a estudiar la nomenclatura de una forma individual.
La calidad de nuestras vidas está determinada por nuestro pensamiento. Al hacernos preguntas esenciales, tratamos con lo relevante, indispensable y significativo para nuestros retos. De esta forma al trabajar con la escritura química tenemos la oportunidad de comunicarnos y resolver los problemas que un estudiante debe enfrentar.
La química y su lenguaje se han ido desarrollando de manera que el descubrimiento de nuevos compuestos ha incrementado el número de nombres que los identifican. En la actualidad se puede decir que el número de compuestos que conocemos sobrepasa los 13 millones, por lo que a través de este descubrimiento se han diseñado 10 reglas y una metodología secuencial, conocidos internacionalmente para podernos comunicar entre personas que trabajamos en esta rama.
La primera separación que hace la nomenclatura química es entre compuestos inorgánicos y compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos son aquellos que tienen átomos de carbono en su esqueleto. En la química inorgánica hacemos separaciones de otro tipo: compuestos que tienen elementos metálicos, no metálicos, óxidos, peróxidos, ácidos, bases etcétera.
Karem Malouf José Beltethón
Guía para el uso del texto
En este libro se han incorporado recursos para facilitar el aprendizaje de la nomenclatura química inorgánica como los que a continuación se describen.
» Páginas introductorias
Capítulo I
Indicadores de aprendizaje
Después de estudiar este capítulo, el alumno podrá:
• Describir de forma general la estructura que posee un átomo
• Diferenciar las características de las dos zonas fundamentales del átomo
• Describir la regla del octeto
• Definir qué es un ión, un catión y un anión.
• Definir el concepto de valencia.
Conceptos básicos
• Describir de forma general cómo se encuentra organizada la tabla periódica. Contenido
Generalidades de la estructura atómica
La regla del octeto y los iones La valencia de un átomo Clasificación periódica de los elementos
» Iconos especializados
» Ejercicios de repaso
Capítulo I
Indicadores de aprendizaje
Después de estudiar este capítulo, el alumno podrá:
• Describir de forma general la estructura que posee un átomo.
• Diferenciar las características de las dos zonas fundamentales del átomo.
• Describir la regla del octeto.
• Definir qué es un ión, un catión y un anión.
• Definir el concepto de valencia.
• Describir de forma general cómo se encuentra organizada la tabla periódica.
Conceptos básicos
Contenido
Generalidades de la estructura atómica
La regla del octeto y los iones
La valencia de un átomo
Clasificación periódica de los elementos
Figura 1.1
Estructura del átomo.
Antes de comenzar con el estudio de la nomenclatura química inorgánica, debemos dejar en claro varios conceptos fundamentales que se hacen necesarios para entender adecuadamente la nomenclatura química. Estos conceptos básicos son presentados a continuación de forma bastante general, sin embargo, los mismos serán abordados más profundamente en su curso de química.
Generalidades de la estructura atómica
Para efectos del aprendizaje de la nomenclatura química, se puede considerar que el átomo está conformado por dos zonas fundamentales: el núcleo y la envoltura electrónica.
a) Núcleo. Zona central del átomo, muchas veces más pequeño si se compara con el volumen total que puede ocupar el átomo en su conjunto, esto es, con su envoltura electrónica. Es en esta zona donde se concentra la masa total del átomo. El núcleo se encuentra constituido por dos partículas atómicas fundamentales: protones y neutrones. Los protones poseen una carga total positiva, y los neutrones no tienen carga alguna, es decir son neutros, como su nombre lo indica. De esta cuenta, puede decirse que el núcleo tiene una carga neta positiva.
b) Envoltura electrónica. Estructura externa del átomo, y tiene un tamaño mucho mayor comparado con el núcleo, pero una masa prácticamente despreciable. Esta zona está constituida exclusivamente por electrones, los cuales tienen una carga negativa y se encuentran organizados en diferentes capas y subcapas que constituyen la envoltura. Esta zona tiene una carga neta negativa.
El átomo está conformado por tres elementos principales: los protones, neutrones y electrones. Los dos primeros elementos forman el núcleo del átomo, mientras que los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo. electrón protón neutrón
El átomo de un elemento en su estado fundamental (basal) es electrónicamente neutro. Es decir, la carga eléctrica neta del átomo es igual a cero. Considerando que las únicas partículas cargadas eléctricamente del átomo son los protones y los electrones, se concluye que el número de protones de un átomo debe ser igual al número de electrones que lo conforman.
La cantidad de protones, y por tanto la cantidad de electrones que tiene el átomo de un elemento en su estado basal, se indica por el número atómico. Por ejemplo, el carbono tiene un número atómico igual a 6, lo que indica que cada átomo de carbono, en su estado basal, tiene seis protones y seis electrones que lo conforman.
Regla del octeto y los iones
Desde la perspectiva de la nomenclatura química, la parte más importante del átomo es la envoltura electrónica. Esta zona es la responsable de que un átomo adquiera una carga positiva o negativa.
Toda materia presente en la naturaleza tiende a transformarse para buscar el equilibrio. De manera que la materia cambia de un estado cualquiera, a otro de mayor estabilidad. En la química existe una famosa regla que todos los átomos siguen, y se denomina regla del octeto.
La regla del octeto establece que, para que todo átomo sea estable, debe tener ocho electrones en la última capa que conforma su envoltura electrónica. Esta capa se conoce como capa de valencia de un átomo. La razón que da origen a esta regla se fundamenta en la configuración electrónica de los átomos. Si se examina la configuración de los gases nobles (última columna de la tabla periódica de los elementos), se podrá notar que todos tienen ocho electrones en su capa de valencia, de manera que éstos son electrónicamente estables. De allí que se les denomine “nobles”, puesto que no necesitan cambiar para ser más estables y, por tanto, no reaccionan (son inertes).
Todo átomo busca tener ocho electrones en su capa de valencia, de manera que los átomos ceden o toman electrones de otro átomo para conseguirlo, y lo hacen formando un enlace. En cualquiera de los casos, al “tomar” o “ceder” electrones, la igualdad de cargas eléctricas que un átomo tiene en su estado basal cambia, y adquiere una carga eléctrica positiva (si el átomo cedió electrones) o negativa (si el átomo adquirió electrones). De esta cuenta, el átomo que no es eléctricamente neutro recibe el nombre de ión. Cuando un átomo tiene una carga eléctrica positiva, recibe el nombre de catión, mientras que cuando tiene una carga eléctrica negativa, recibe el nombre de anión
De lo anterior, se puede afirmar que un átomo busca la estabilidad cediendo o tomando únicamente electrones de otro átomo, formando un enlace con este último. Por ello, un átomo de un elemento nunca cede o comparte protones para formar enlaces, puesto que esto cambiaría la naturaleza del átomo.
La valencia de un átomo
Se le llama valencia a un número que expresa el poder o la capacidad de un átomo cualquiera para combinarse con otros átomos. Todo átomo busca tener
Figura 1.2
Formación de iones.
(a) La transferencia de un electrón de un átomo neutro de Na a un átomo neutro de Cl da lugar a la formación de un ión Na+ y de un ión Cl .
(b) Disposición de estos iones para formar cloruro de sodio sólido (NaCl).
Figura 1.3
Electrones de valencia. La carga efectiva experimentada por el electrón de valencia del sodio depende en gran medida de la carga +11 del núcleo y de la carga 10 del centro (electrones internos).
ocho electrones de valencia, de manera que si un átomo cede un electrón para buscar el octeto, entonces tendrá una carga eléctrica neta de +1. Así, este átomo tendrá una valencia de +1. Por el contrario, si un átomo toma un electrón para buscar el octeto, entonces tendrá una valencia de 1.
Un átomo puede tener diversas valencias, incluso hay átomos que pueden tener valencias tanto positivas como negativas. Más adelante se describirá cómo determinarlas.
Para fines de la nomenclatura de compuestos químicos, el término “valencia” puede ser usado como sinónimo de estado de oxidación
Electrones de valencia (3s2)
Centro de [Ne] (–10)
Efecto combinado = + – 10 = + 1
Núcleo (+11)
Clasificación periódica de los elementos
La tabla periódica de los elementos es una herramienta necesaria para el aprendizaje de la nomenclatura química inorgánica, de manera que se hará una breve descripción de su organización y de la forma como será utilizada.
La tabla periódica está clasificada de acuerdo con el número atómico de los elementos, y se le denomina periódica porque en cada grupo se repiten algunas propiedades físicas y químicas de los mismos. En esta tabla se encuentran diferentes grupos y periodos.
a) Grupo. Ordenamiento vertical de los elementos. Dicho de otra forma, un grupo en la tabla periódica, es cada una de las columnas de dicha tabla. Por ejemplo, el grupo 4A está formado por los elementos C, Si, Ge, Sn y Pb.
b) Periodo. Ordenamiento horizontal de los elementos. Dicho de otra forma, un periodo en la tabla periódica es cada una de las filas de dicha tabla. Por ejemplo, el periodo 2 está formado por los elementos Li, Be, B, C, N, O, F y Ne.
Para efectos del aprendizaje de la nomenclatura, los grupos de la tabla periódica de los elementos serán enumerados como se muestra en la figura 1.4:
El calcio en el organismo
Figura 1.4
Tabla periódica de los elementos. Se muestran los elementos clasificados como metales, no metales y metaloides. Además, se enumeran las columnas de la serie A.
Nota interesante…
El calcio es el catión más abundante del organismo. 99% del calcio corporal total, aproximadamente 1 kg en un adulto, se encuentra en la forma mineral del hueso. En el plasma sanguíneo se encuentra 50% como calcio iónico libre, 10% ligado a aniones (citrato, bicarbonato) y 40% ligado a proteínas (fundamentalmente albúmina). El calcio es muy importante para la formación de los huesos, la transmisión de impulsos nerviosos, la contractilidad de los músculos y la agregación plaquetaria y coagulación de la sangre.
Es bien aceptado que la absorción intestinal de calcio ocurre por dos mecanismos distintos, un transporte activo que tiene un límite, y un mecanismo ilimitado pasivo que ocurre por difusión. El mecanismo más común es el mecanismo activo que no sólo tiene un límite, sino que, además, es dependiente de los niveles de vitamina D. El lugar donde se absorbe la mayoría del calcio es la parte más lejana del intestino delgado (íleo proximal). En esta porción del intestino el calcio se absorbe de manera activa (dependiente de vitamina D), y de manera pasiva (difusión), que aunque no es dependiente de vitamina D, se puede beneficiar de buenos niveles de dicha vitamina.
El transporte activo de la absorción del calcio se comienza de una manera importante en el duodeno de los mamíferos y las aves. Los niveles adecuados de vitamina D ayudan a la formación de canales por donde se absorbe el calcio en estos lugares. Además, la vitamina D ayuda a sintetizar numerosas proteínas que contribuyen en la absorción activa del calcio en el intestino.
Al contrario, el transporte pasivo (por difusión), a través de la membrana de las células del intestino, ocurre en unos espacios que se encuentran entre las células. El
balance de calcio que se absorbe de esta forma dependerá de la concentración de calcio que exista en el intestino.
El calcio no se absorbe de igual manera en el intestino. El intestino delgado absorbe casi 90% del calcio. Independientemente del proceso activo que hay en el duodeno para absorber el calcio, la mayor parte de su absorción ocurre en la región más lejana del intestino delgado (íleo). Un factor determinante en este proceso es el largo tiempo que pasa el calcio en esta parte del intestino delgado, en comparación con el resto del intestino. El colon sólo participa en la absorción de menos de 10% del calcio que absorbe el organismo.
En un estudio de absorción de calcio se demostró que las personas con niveles adecuados de vitamina D podían absorber tres veces más la cantidad que las personas con niveles bajos de vitamina D.
Dr. Jorge Malouf Sierra Médico Investigador
Hospital de la Santa Creu i Sant Pau
Cuadro 1.1 Contenido de calcio de algunos alimentos.
Alimento (cantidad) Contenido de calcio
Ejercicios
de conceptos básicos
1. Defina o describa brevemente los siguientes conceptos:
a) Núcleo
b) Envoltura electrónica
c) Valencia de un átomo
d) Regla del octeto
2. Para cada uno de los siguientes elementos, determine lo que se indica.
Elemento
Magnesio
Sodio
Hierro
Bromo
Número atómico
Cantidad de protones
Cantidad de electrones Qué tiene en su estado basal
3. Para cada uno de los siguientes elementos, complete la tabla según corresponda.
Elemento Símbolo químico
Francio
Cobre
Yodo
Antimonio
4. Complete la siguiente tabla colocando el símbolo de los elementos que corresponden a cada casilla. Utilice la tabla periódica de los elementos como una guía.
5. Clasifique cada uno de los siguientes iones como catión o anión, según sea el caso.
6. De acuerdo con lo que establece la regla del octeto, cada uno de los siguientes elementos adquiere una carga en las reacciones químicas. Utilice la tabla periódica e indique la carga con la que actuará el ión más estable del elemento.
a) Ca
b) Al
c) Cl
d) Sr
7. Indique cuántos electrones deben ceder o recibir los siguientes iones en una reacción química para formar compuestos eléctricamente neutros.
a) Fe+3
b) Ba+2
c) P+3
d) F
8. Para cada uno de los siguientes iones, determine su número atómico, la cantidad de protones y electrones que poseen.
a) Mg+2
b) Na+
c) Fe+3
d) Br
9. De acuerdo con lo que establece la regla del octeto y con la tabla periódica como guía, indique la carga con la que actuará el ión más estable de cada elemento.
a) Mg
b) B
c) F
d) Pb
10. Indique la cantidad de electrones de valencia que tiene cada uno de los siguientes elementos.
a) H
b) C
c) O
d) N
Capítulo
Nomenclatura química inorgánica II
Indicadores de aprendizaje
Después de estudiar este capítulo, el alumno podrá:
• Diferenciar entre los compuestos químicos orgánicos e inorgánicos.
• Describir cómo se clasifican los compuestos químicos inorgánicos.
• Establecer los tipos de elementos que forman un grupo específico de compuestos inorgánicos.
• Explicar las diez reglas básicas de la nomenclatura química inorgánica.
• Describir las características de los tres sistemas de nomenclatura química inorgánica.
Contenido
Clasificación de los compuestos químicos inorgánicos Reglas básicas de nomenclatura química inorgánica
Figura 2.1
Compuestos orgánicos e inorgánicos.
La nomenclatura química inorgánica tiene por objetivo nombrar y formular cada uno de los compuestos químicos inorgánicos. Para fines prácticos, los compuestos pueden dividirse en dos tipos: orgánicos e inorgánicos
a) Compuestos orgánicos. Aquellos que tienen el elemento carbono como átomo central de su estructura, el cual se encuentra regularmente enlazado con otros átomos de carbono o con átomos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, boro y/o halógenos.
b) Compuestos inorgánicos. Aquellos que no tienen al carbono como átomo central. Es decir, el resto de compuestos químicos conocidos como no orgánicos.
(a) El cloruro de hidrógeno (HCl) es un ejemplo de un compuesto inorgánico, pues no tiene al carbono como átomo central.
(b) El metano (CH4) es un ejemplo de un compuesto orgánico, pues tiene al carbono como átomo central.
(a) (b)
Nota interesante… Elementos necesarios para los organismos vivos
De todos los elementos que se presentan en la tabla periódica, son pocos aquellos necesarios para la vida. Más de 97% de la masa de la mayoría de los organismos comprende sólo seis elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre. El agua es el compuesto más común en los organismos vivos, y constituye al menos 70% de la masa de la mayor parte de las células.
El carbono es el elemento que existe en mayor proporción en los componentes sólidos de las células. Los átomos de carbono se encuentran en una inmensa variedad de moléculas orgánicas, en donde se encuentran unidos a otros elementos, principalmente a: H, O, N, P y S.
Además, se han encontrado 23 elementos más en diversos organismos vivos. Cinco son iones necesarios para todos los organismos: Ca+2, Cl −, Mg+2, K+ y Na+ .
Clasificación de los compuestos químicos inorgánicos
Los compuestos químicos inorgánicos pueden ser clasificados como se indica en el diagrama de la siguiente página:
Los compuestos inorgánicos pueden ser clasificados en tres grandes grupos: binarios, ternarios y cuaternarios. Estos tres grupos se dividen, a su vez, en otros subgrupos que clasifican a quince diferentes tipos de compuestos inorgánicos existentes.
Metal + hidrógeno
Hidruros
+ radical superóxido Metal + radical peróxido Metal + radical hidroxilo No metal + oxígeno
Hidrógeno + radical
Metal + radical
Hidrógeno + no metal
Hidrácidos
Metal + oxígeno
Contienen hidrógeno Óxidos básicos
Hidróxidos
Oxácidos
Oxosales
Compuestos ternarios
Peróxidos Óxidos ácidos
Contienen oxígeno
Compuestos binarios
Compuestos químicos inorgánicos
Superóxidos
Metal + no metal
Sales binarias
No contienen oxígeno ni hidrógeno
Compuestos cuaternarios
Reglas
básicas de nomenclatura química inorgánica
En un principio, se puede pensar que para aprender a nombrar y a formular compuestos inorgánicos es necesario memorizar mucha información, incluso saber los nombres y las fórmulas correspondientes de cientos de compuestos y radicales. Sin embargo, esto significaría una labor ardua y casi imposible, tanto, que a la larga sería una completa pérdida de tiempo.
Por ello, se presentan diez reglas básicas que son aplicables para nombrar cualquier compuesto químico inorgánico. Si se entienden y aprenden estas reglas, y se combinan con ciertas habilidades que se adquirirán al leer este libro, se podrá nombrar cualquier compuesto inorgánico sin la necesidad de haber memorizado su nombre. Dichas reglas son:
1. En la escritura de fórmulas mediante símbolos siempre se coloca a la izquierda el símbolo del elemento que actúa como positivo (catión) y a la derecha el que lo hace como negativo (anión).
2. Los metales únicamente tienen valencias positivas (nunca negativas). Por tanto, siempre actúan como cationes.
3. Los no metales pueden tener tanto valencias positivas (cationes) como negativas (aniones).
4. Las valencias (estados de oxidación) que los elementos metálicos pueden tener serán los reportados por la tabla periódica de los elementos químicos.
+
Aleaciones
Sales básicas
Sales ácidas
Sales dobles
Sales hidratadas
Metal + hidrógeno + radical
Metal + metal + radical
Oxosal + agua
Figura 2.2
Figura 2.3
5. Cuando los no metales actúan como cationes pueden tener valencias que van desde 1 hasta la de la columna (Grupo) al que pertenecen en la tabla periódica, salvo las siguientes excepciones:
a) Si el elemento está ubicado en una columna par, sólo se toman los valores pares.
b) Si está en una columna impar, sólo se toman los valores impares.
6. Cuando los no metales actúan como aniones, su número de oxidación se determina restando ocho unidades al número de la columna que ocupan en la tabla periódica. Con excepción del hidrógeno.
7. Para nombrar un compuesto químico inorgánico, la primera palabra siempre será el de su grupo genérico. Por ejemplo: hidruro, óxido, ácido, hidróxido, anhídrido, etcétera.
8. En la nomenclatura inorgánica se han utilizado tres sistemas distintos para nombrar los compuestos aplicando las reglas que establece cada uno de los sistemas. Los sistemas son:
a) Sistema stock. Conforme a este sistema, se debe indicar el estado de oxidación (valencia) del catión presente en la fórmula. Esto se hace colocando el valor de la valencia del catión con números romanos entre paréntesis al final del nombre del compuesto.
b) Sistema estequiométrico. Este sistema exige que se coloquen prefijos al nombre del compuesto para indicar el número de átomos presentes en la fórmula química del compuesto. Estos prefijos son:
Mono = 1 Di o bi = 2 Tri = 3 Tetra = 4 Penta = 5 Hexa = 6 Hepta = 7 Octo = 8 Nona = 9 Deca = 10
La palabra “mono”, que corresponde al 1, puede ser omitida. Sin embargo, no es erróneo colocarla.
c) Sistema funcional o clásico. Este sistema aplica nombres particulares según la cantidad de estados de oxidación (valencias) que el catión posee siguiendo estos lineamientos:
• Cuando el catión tiene sólo un estado de oxidación se usa el sufijo ico
• Cuando el catión tiene dos estados de oxidación, para el menor se usa el sufijo oso y para el mayor, el sufijo ico.
• Cuando el catión tiene más de dos estados de oxidación, el compuesto no se puede nombrar con este sistema, salvo los anhídridos y oxácidos, para los cuales se aplicará el uso de la tabla descrita en la regla nueve.
Iones del mismo elemento con cargas diferentes presentan propiedades distintas.
Fuente: Tomado de Theodore L. Brown et al., Química, la ciencia central, Pearson, México, 2009, p. 59.
