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Diversidad de compuestos químicos

Química Ambiental

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Diversidad de compuestos químicos Formulación. Química general. Compuestos binarios La mayoría de los elementos químicos que conocemos pueden interactuar entre ellos para formar compuestos. Por ejemplo, la combustión del gas del elemento hidrógeno en presencia del elemento oxígeno puede formar el compuesto agua. Los científicos utilizan las fórmulas químicas para representar la composición de los elementos que forman parte de una molécula o compuesto a través de símbolos. En ellas no solo se precisan los elementos presentes, sino también la proporción en la que se combinan. Esto es comúnmente llamado formulación química. Es importante tener en cuenta que existen dos tipos de fórmulas, las moleculares y las empíricas. En las fórmulas moleculares, se representa la cantidad exacta de átomos de cada elemento que está presente en la unidad más pequeña de una sustancia. Por ejemplo, H2 es la fórmula molecular del hidrógeno; O2, la del oxígeno; O3, la del ozono, y H2O representa al agua. Los subíndices numéricos muestran la cantidad de átomos de cada elemento que están presentes en esa sustancia. Cuando la cantidad de átomos de uno de los elementos es 1, como en el caso del oxígeno en la molécula de agua, se omite el subíndice 1. Hay algunas moléculas formadas por un solo elemento que pueden poseer diversas formas (estructuras) debido a que están constituidas por diferentes cantidades de átomos, por ejemplo, en el caso del oxígeno (O2) y el ozono (O3). Cada una de estas formas es llamada alótropo y este elemento tiene dos formas alotrópicas. Las formas moleculares son las fórmulas “verdaderas” de las moléculas. En las fórmulas empíricas, en cambio, no se indica necesariamente el número real de átomos de una molécula, sino los elementos que están presentes y la relación mínima entre ellos. Por ejemplo, la fórmula molecular del peróxido de hidrógeno (antiséptico y agente blanqueador) es H2O2 y su fórmula empírica es HO. Esto se debe a que, como la relación de átomos de hidrógeno a átomos de oxígeno de 2:2 en la molécula, o también puede decirse que es 1:1, se toma esta última, que es la relación mínima, para escribir la fórmula empírica. Estas fórmulas son las más sencillas y se escriben haciendo que los subíndices de las fórmulas moleculares se reduzcan a los números enteros más pequeños. Las fórmulas empíricas se utilizan comúnmente cuando los científicos analizan 2

compuestos desconocidos de los cuales solo poseen información de las cantidades

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relativas y no de la estructura de la molécula. Es importante destacar que, para muchas moléculas, la fórmula molecular y la empírica son iguales. Por ejemplo, en los compuestos llamados iónicos, que son aquellos formados por dos sustancias con electronegatividades significativamente diferentes, las fórmulas moleculares y las empíricas son idénticas debido a que no están formados por unidades moleculares discretas. Una partícula sólida de cloruro de sodio (NaCl) es ejemplo de este caso, ya que no está formada por unidades discretas de NaCl, sino que estas están acomodadas en una red tridimensional. En este compuesto hay una relación 1:1 de Na + y Cl-, que hace que sea el compuesto eléctricamente neutro. En esta red, cada ion Na+ es atraído por los seis iones Cl- que lo rodean, y viceversa. Los compuestos iónicos pueden tener diferentes estructuras, pero, debido a la disposición de los iones, siempre serán eléctricamente neutros; por este motivo, no se muestran en las fórmulas del compuesto la carga del catión ni la del anión. Para construir la formula empírica del compuesto iónico, hay que respetar su neutralidad. Esto se logra aplicando la siguiente regla: el subíndice del catión debe ser numéricamente igual a la carga del anión y el subíndice del anión deber ser numéricamente igual a la carga del catión. Si las cargas son iguales, no se necesita poner subíndices. Es importante destacar que, como las fórmulas son empíricas, los subíndices tienen que ser lo más pequeños posible. Por ejemplo, en el óxido de aluminio, el catión aluminio (Al3+) y el anión oxígeno (O2-) se combinan para formar este compuesto. La suma de las cargas es +3 + (-2) = +1. Para que la suma de las cargas sea igual a cero, se debe multiplicar el valor sin signo de la carga del anión por la del catión, y viceversa: 2 × (+3) + 3 × (-2) = 0. Esto nos indica que tenemos que poner dos átomos de Al3+ y tres de O2- (Al2O3) para que el compuesto sea eléctricamente neutro. Una regla fácil para llegar al mismo resultado es, como se dijo anteriormente, poner las cargas de cada uno de los elementos como subíndices del otro.

Clasificación compuestos químicos y su nomenclatura En la actualidad, hay una enorme cantidad de compuestos químicos descubiertos. Debido a esto, los científicos han tenido que diseñar un sistema adecuado para nombrar las distintas sustancias sin tener que aprenderse miles de nombres distintos. En este sistema mundialmente reconocido, los compuestos se separan en dos grandes grupos: los inorgánicos y los orgánicos. Los compuestos orgánicos son aquellos que contienen carbono combinado con elementos como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Fueron llamados así porque eran sustancias obtenidas de fuentes vivas como plantas y animales. El resto de los compuestos se clasifican como inorgánicos. Por conveniencia, existen algunas excepciones de compuestos que tienen carbono, pero son considerados inorgánicos, como el monóxido de carbono (CO), el dióxido de carbono (CO2), el disulfuro

de carbono (CS2), compuestos que tienen el grupo cianuro (CN-), los grupos carbonato (CO32-) y el bicarbonato (HCO3-).

Compuestos inorgánicos Los compuestos inorgánicos se dividen en cuatro categorías: 1. Compuestos iónicos: los compuestos iónicos están formados por cationes y aniones. Con excepción del ion amonio (NH 4+), todos los cationes de interés derivan de átomos metálicos y toman el nombre del elemento; por ejemplo, ion sodio (Na+), ion magnesio (Mg2+), etcétera. Muchos de los compuestos iónicos son binarios, es decir, están formados por dos elementos; por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl). Como se puede notar, se nombra primero el anión no metálico (Cl-) con el sufijo -uro, seguido por el catión metálico (Na +). El elemento oxígeno es la excepción; no se utiliza el sufijo -uro y se pone directamente la palabra óxido. Ejemplo: Óxido de aluminio (Al2O3). Existen aniones formados por dos elementos, como el hidróxido (OH) y el cianuro (CN-), que se combinan con otro metal catiónico para dar compuestos ternarios (de tres elementos) y respetan la misma regla de nomenclatura. Por ejemplo: hidróxido de litio (LiOH) y cianuro de potasio (CNK). Existen algunos metales, llamados de transición, que pueden formar más de un tipo de catión; por ejemplo, el hierro, que puede formar dos tipos de cationes, Fe2+ y Fe3+. Según el moderno sistema de Stock, las diferentes cargas se identifican con números romanos. Por ejemplo, el FeCl2 se llamará cloruro de hierro (II), y el FeCl 3, cloruro de hierro (III). 2. Compuestos moleculares: a diferencia de los iónicos, estos compuestos están formados por unidades moleculares discretas. La mayoría son binarios y están formados por elementos no metálicos. Estos compuestos se nombran de la misma manera que los compuestos iónicos binarios; por ejemplo: cloruro de hidrógeno (HCl). Algunos elementos forman compuestos distintos, y para diferenciarlos se utilizan prefijos griegos que denotan el número de átomos; por ejemplo: monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). Para el primer elemento, también se utiliza esta regla; por ejemplo: tetróxido de dinitrógeno (N2O4). Es importante destacar que el prefijo en el primer elemento se omite en el caso de que sea mono-, como vimos anteriormente con el CO o con el CO2. Muchos de los compuestos moleculares que contienen hidrógeno llevan el nombre que se les dio originalmente y no siguen estas

reglas; por ejemplo: metano (CH4), agua (H2O), amoniaco (NH3), etcétera. 3. Ácidos y bases: los ácidos y las bases son compuestos que liberan iones hidrógenos (H+) e iones hidroxilo (OH-), respectivamente, cuando se disuelven en agua. En el caso de los ácidos, los aniones cuyos nombres terminan en -uro forman ácidos cuyos nombres terminan en hídrico. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno pasa a ser ácido clorhídrico (HCl). Nótese que se trata de dos nombres diferentes para el mismo compuesto. Estos se utilizan dependiendo del estado físico del compuesto. En estado puro, dicho compuesto se llamará cloruro de hidrógeno; disuelto en agua, ácido clorhídrico. Existen compuestos ácidos ternarios llamados oxiácidos que contienen hidrógeno, oxígeno y otro elemento entre estos dos en la fórmula; por ejemplo: ácido clórico (HClO3). Los oxiácidos pueden tener diferentes cantidades de átomos de oxígeno y su nombre variará de acuerdo a esto; por ejemplo: ácido perclórico HClO4, ácido cloroso (HClO2), y ácido hipocloroso (HClO). Los oxiácidos pueden transformarse en oxianiones, es decir, perder todos los hidrógenos. En este caso, su nombre va a variar de la siguiente manera: anión perclorato (ClO4-), anión clorato (ClO3- ), anión clorito (ClO2-) y anión hipoclorito (ClO-). En el caso de que no se hayan quitado todos los hidrógenos, hay que indicar el número de hidrógenos presentes. Por ejemplo: el ácido fosfórico (H3PO4), cuando pierde un hidrógeno, se llama anión dihidrógeno fosfato (H2PO4-). Cuando en el anión hay un solo hidrógeno, se omite el prefijo mono-; por ejemplo: hidrógeno fosfato (HPO42-). En el caso de las bases, es mucho más simple porque no hay pérdida de elementos ni cambios en el nombre; por ejemplo: hidróxido de sodio (NaOH) e hidróxido de bario (Ba(OH)2). Es importante destacar que el amoniaco (NH3) también se clasifica como base porque, a pesar de no tener grupos OH-, cuando se disuelve en agua, reacciona con esta y libera grupos OH-. 4. Hidratos: son compuestos que tienen un número determinado de moléculas de agua unidos a ellos. Por ejemplo, el sulfato de cobre (II) posee cinco moléculas de agua asociadas a él y se lo denomina sulfato de cobre (II) pentahidrato (CuSO4·5H2O). Por calentamiento, es posible eliminar las moléculas de agua y el compuesto pasa a llamarse sulfato de cobre (II) anhidro (CuSO4).

Compuestos orgánicos El elemento carbono es capaz de formar una gran variedad de compuestos debido a la habilidad que tiene para formar enlaces carbono-carbono sencillos, dobles y triples y unirse para formar cadenas cíclicas. Los compuestos del carbono se denominan orgánicos y derivan de un grupo de compuestos conocidos como hidrocarburos, debido a que están formados solo por hidrógenos y carbonos. Los hidrocarburos se dividen en dos clases principales: 1. Alifáticos. Estos compuestos no contienen anillos bencénicos, es decir, moléculas compuestas por seis carbonos unidos en forma de anillo, con un átomo de hidrógeno por cada carbono. Los compuestos alifáticos se subdividen en alcanos, alquenos y alquinos. 1.1.Alcanos: tienen la fórmula general CnH2n+2, donde n puede ser cualquier número, de 1 en adelante. Estas moléculas presentan solo enlaces covalentes sencillos y son conocidos como hidrocarburos saturados porque contienen el número máximo de átomos de hidrógeno que pueden unirse a los átomos de carbono. El más simple es el con n = 1, el metano (CH4). Este compuesto es un producto de la descomposición bacteriana anaeróbica de la materia vegetal subacuática. Le siguen el etano, con n = 2; y el propano, con n = 3. A partir de n = 4 empiezan a existir isómeros estructurales, es decir, moléculas que tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructura. Esto es debido a que puede haber diferente esquema de enlaces. Por ejemplo: el n-butano y el isobutano tienen la fórmula C4H10, pero con diferente orden de sus carbonos. A medida que aumenta el número de carbonos, el número de isómeros se incrementa vertiginosamente; por ejemplo: C30H62 tiene más de 400 millones de isómeros posibles. Esto explica por qué el carbono se encuentra en muchos más compuestos que cualquier otro elemento. El metano, etano, propano y butano son gases; el gas natural es una mezcla de los dos primeros con una pequeña cantidad de propano. Del pentano (n = 5) al decano (n = 10), son todos compuestos líquidos. Hay una forma de sistematizar la nomenclatura de los alcanos a partir del pentano. Algunas pautas que se deben tener en cuenta son las siguientes: el compuesto lleva el nombre de la cadena continua más larga de carbonos; existen grupos que pueden estar unidos a la cadena de carbonos, llamados sustituyentes; en el nombre del compuesto debe indicarse la localización de estos sustituyentes; es importante destacar que, para indicar su localización, hay que comenzar a enumerar la cadena del lado en que la localización de todas las ramificaciones tenga los números menores (Figura 1).

Figura 1: Ejemplo de numeración de las ramificaciones de los alcanos

Fuente: elaboración propia.

Hay grupos formados por alcanos menos un hidrógeno, llamados grupos alquilo. Por ejemplo, el metano sin un hidrógeno es un grupo metilo (  CH3), el etano sin un hidrógeno se denomina etilo, y así sucesivamente. Cuando hay más de una ramificación de grupos alquilo de la misma clase, se utilizan los prefijos di-, tri- o tetraantes del nombre del alquilo. Por ejemplo, en el 2,3-dimetilhexano hay dos sustituciones metil en el carbono 2 y 3. Si hay ramificaciones diferentes, hay que nombrar cada una de ellas. Es importante destacar que pueden existir otras clases de sustituyentes, como el grupo amino ( NH2), el grupo bromo ( Br), etcétera. Los alcanos pueden formar anillos en donde sus átomos de carbono se unen. Estos son llamados cicloalcanos y responden a la fórmula general CnH2n. Por ejemplo: ciclopropano, ciclobutano, etcétera. El colesterol, la testosterona y la progesterona contienen estas estructuras cíclicas. 1.2.Alquenos: son aquellos que contienen al menos un doble enlace carbono-carbono. Estos tienen la fórmula general CnH2n. Para nombrarlos, se utiliza, como en los alcanos, el número de carbonos de la cadena, pero con la terminación –eno, y se indica con número la posición del doble enlace. Por ejemplo: en el 1-buteno, el doble enlace se encuentra en el primer enlace (entre el carbono 1 y 2). Estos son llamados hidrocarburos insaturados, ya que no tienen la cantidad máxima de hidrógenos en sus cadenas. 1.3.Alquinos: contienen por lo menos un triple enlace carbonocarbono. Tienen la fórmula general CnH2n-2. Como en los otros compuestos, el nombre proviene del número de carbonos, pero a estos se les agrega la terminación -ino. Se debe señalar la posición del triple enlace con número. Por ejemplo: 1-butino (C 4H6). El alquino más sencillo es el etino (C2H2), también llamado acetileno. Este es un gas que, debido a que produce una flama muy caliente, se utiliza en sopletes para soldar metales.

2. Aromáticos. Los compuestos aromáticos tienen de base moléculas de benceno. El benceno es un compuesto cíclico que consta de seis átomos de carbono (C6H6) que ocupan el vértice de un hexágono regular (Figura 2). Los bencenos pueden ser monosustituidos por diferentes grupos. Generalmente se los llama con el nombre del grupo de sustitución y la palabra benceno. Por ejemplo, el benceno con un grupo etilo se llama etilbenceno. Si está presente más de un sustituyente, se debe indicar la localización de este (en cual carbono está). Los carbonos se enumeran en el sentido de las manecillas del reloj empezando de arriba.

Figura 2: Formas de simbolizar la molécula de benceno

Fuente: elaboración propia.

Existen algunos compuestos aromáticos policíclicos, es decir, con anillos bencenos fusionados; por ejemplo: el naftaleno, que consta de dos anillos fusionados, o el antraceno, que posee tres.

Referencias Chang, R. (2011). Principios esenciales de química general (4.a ed.), Madrid, Editorial Mc Graw-Hill/Interamericana de España....