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Nomenclatura y formulación en Química Inorgánica.

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NOMENCLATURA Y FORMULACIÓN EN QUÍMICA INORGÁNICA INTRODUCCION La comunicación en el campo de la Química está mediatizada por el conocimiento del lenguaje propio de la misma. El lenguaje químico es universal, de suerte que a través de el podemos comunicarnos con personas de cualquier nacionalidad. Es difícil progresar en Química sin unos conocimientos mínimos de formulación, como los que se imparten en bachillerato. Estos breves apuntes tienen el propósito de determinar el nivel de conocimientos que deberán tener los alumnos de la E.T.S.I. de Minas de Madrid para seguir con aprovechamiento las enseñanzas de Química de primer curso, así como ayudar a aquellos alumnos que a su entrada en la misma no tengan el nivel adecuado. El alcance de estos apuntes es muy reducido dentro de lo que es el contexto de la formulación, que como cualquier materia tiene actualmente un desarrollo complejo. Esta complejidad deriva del hecho de la necesidad de dar nombre inequívoco a decenas de miles de sustancias. A veces hay 2 o más sustancias con iguales fórmulas empíricas. Otras veces, a la vez que se nombra una sustancia se pretende dar información sobre como están dispuestos y/o unidos los átomos entre ellos. Todo esto supone usar reglas precisas y complejas, en general tanto más complejas cuanto mayor es el número de átomos que componen la sustancia. Con los contenidos de estos apuntes sólo podemos preparamos para nombrar una pequeña parte de los compuestos existentes, pero que son los más simples y de utilización más extendida y los que nos interesan en este curso. Estos apuntes no pretender sustituir los contenidos más completos de los libros de formulación que pueden encontrarse en el mercado. Aparte de los libros, los alumnos pueden ayudarse de diversos contenidos presentes en Internet, entre otras en las siguientes direcciones:

http://www.alonsoformula.com/ http://users.servicios.retecal.es/tpuente/cye/formulacion/formulacion.htm http://www.eis.uva.es/~qgintro/nomen/nomen.html

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1. ELEMENTOS Y GENERALIDADES Existen en la actualidad unos 111 elementos químicos conocidos. A los efectos que aquí perseguimos nos conformaremos con conocer los símbolos de los elementos que se exponen en la tabla del siguiente apartado. El símbolo de un elemento (por ejemplo Fe para el hierro) es el equivalente al símbolo de una letra para la escritura -en el alfabeto español existen 27 símbolos de letras mientras que en el alfabeto químico existen 111 símbolos- y por ello es la base de la escritura química. El símbolo de un átomo (X) puede tener cuatro modificadores (A, B, C y D) –todos ellos números enteros- que dan la siguiente información: A denota el número de carga, que puede ser positivo o negativo: +, 2+, 3+,…, -, 2-…. B denota el número de átomos del mismo elemento contenidos en esa entidad C denota el número atómico (numero de protones del núcleo) D denota el número másico (número de nucleones del núcleo). 12C, 14C

2. VALENCIA Y NUMERO DE OXIDACIÓN Según la IUPAC es “el máximo número de átomos univalentes (originalmente átomos de hidrógeno o de cloro) que pueden combinarse con un átomo del elemento bajo consideración, o con un fragmento, o por los que puede sustituirse un átomo de dicho elemento”. Representa la capacidad que tiene un átomo para combinarse con los átomos de otros elementos y formar compuestos. Este término ha sido reemplazado por el de número de oxidación. El número de oxidación de un átomo X en un compuesto X-Y es la carga que presentaría dicho átomo si los electrones de su enlace con Y estuvieran totalmente desplazados hacia el elemento más electronegativo de los dos. Es un número entero, positivo o negativo (tiene el valor cero en moléculas homonucleares como N2, O3, S8, ….). Se representa por números romanos. Número de oxidación y valencia no son sinónimos pero los utilizaremos indistintamente.

2.1. NUMEROS DE OXIDACION MAS FRECUENTES DE LOS ELEMENTOS MÁS IMPORTANTES DEL SISTEMA PERIÓDICO 2.1.1. METALES Nº oxidación 1 Litio Sodio Potasio Rubidio Cesio Francio Plata Amonio Nº oxidación 1, 2 Cobre Mercurio

Cu Hg

Nº oxidación 2, 4 Platino Plomo Estaño

Pt Pb Sn

Li Na K Rb Cs Fr Ag NH4

Nº oxidación 2 Be Berilio Mg Magnesio Ca Calcio Sr Estroncio Zn Zinc Cd Cadmio Ba Bario Ra Radio Nº oxidación 1, 3 Oro Au Talio Tl Nº oxidación 2, 3, 6 Cromo Cr

Nº oxidación 3 Aluminio

Al

Nº oxidación 2, 3 Ni Níquel Co Cobalto Fe Hierro Nº oxidación 2, 3, 4, 6, 7 Manganeso Mn

Nº de oxidación más frecuentes de otros metales polivalentes: U 4+, 6+; Ti: 4+; W: 6+; Mo: 4+, 6+

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2.1.2. NO METALES Nº oxidación -1 Flúor F Nº oxidación +/-2, 4, 6 S Azufre Se Selenio Te Teluro Nº oxidación +/- 4, (+/-2) Carbono C

Nº oxidación -2, (-1) Oxígeno O VALENCIAS +/- 1, 3, 5, 7 Cl Cloro Br Bromo I Yodo Nº oxidación +/- 4 Silicio Si

Nº oxidación +3 Boro B Nº oxidación +/- 3, 5 P Fósforo As Arsénico Sb Antimonio Nº oxidación 1, 2, +/- 3, 4, 5 Nitrógeno N

2.1.3. HIDRÓGENO: se considera la base de comparación de las valencias Nº oxidación +/-1 Hidrógeno

H

3. NOMENCLATURAS UTILIZADAS Para nombrar los compuestos químicos inorgánicos se siguen las normas de la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada). Se aceptan tres tipos de nomenclaturas para los compuestos inorgánicos, la sistemática, la nomenclatura de Stock y la nomenclatura tradicional. 3.1. NOMENCLATURA SISTEMÁTICA La que aquí denominamos Nomenclatura sistemática es en realidad una de las varias nomenclaturas IUPAC existentes. Su nombre correcto es Nomenclatura binaria. El adjetivo binaria proviene de considerar a toda sustancia, como formada por una(s) parte(s) electropositiva(s) y otra(s) electronegativa(s), que se suponen disociables o separables. El orden de escritura prescrito es citar a los elementos por orden de electronegatividad creciente: primero los más electropositivos y luego los mas electronegativos. Para ello se estipula el orden dado en la tabla 1. Así se escribe NaCl y no ClNa. Tabla 1: secuencia de los elementos

Cuando hay más de un átomo del mismo elemento, se utilizan los prefijos: Nº átomos 1 2 3 4 5

Fe2O3 H3BO3 UPM

prefijo mono di tri tetra penta

Nº átomos 6 7 8 9 10

prefijo hexa hepta octa nona deca

Trióxido de dihierro Trioxoborato de trihidrógeno

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Nº átomos 11 12 13 20 21

prefijo undeca dodeca trideca icosa henicosa

Nº átomos 22 23 30 40 50

prefijo docosa triosa triaconta tetraconta pentaconta

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Cuando se sabe que un conjunto de átomos están enlazados -como es el caso de S y O en el CaSO4-, estos elementos se agrupan en la fórmula, pudiéndoseles dar un nombre específico. Por ejemplo al SO42- se le denomina sulfato, o tetraoxosulfato(2-) o tetraoxosulfato(VI). En estos grupos atómicos, se pone en primer lugar el elemento que se considera central y a continuación los átomos subsidiarios. Es decir se escribe SO42- y no O4S2-. Cuando la sustancia está formada solamente por elementos electronegativos (más electronegativos que el Al), no se utiliza el orden del esquema de la tabla 1, sino el siguiente: B, Si, C, Sb, As, P, N, H, Te, Se, S, At, I, Br, Cl, O, F. PCl3O OF2

óxido tricloruro de fósforo difluoruro de oxígeno

3.2. NOMENCLATURA DE STOCK En este tipo de nomenclatura, cuando algún elemento de la fórmula puede tener más de un Nº de oxidación, el valor concreto del estado de oxidación que presenta, se especifica con números romanos y entre paréntesis inmediatamente (sin espacio) después: Fe(OH)2

Hidróxido de hierro(II)

Fe(OH)3 Hidróxido de hierro(III)

En cualquier especie (tanto sea neutra o iónica) la suma de los números de oxidación de todos los átomos que la forman, es igual a la carga de la especie. Este axioma nos ayuda a completar las fórmulas tipo Stock. 3.3. NOMENCLATURA TRADICIONAL En esta nomenclatura para poder distinguir con qué Nº de oxidación funcionan los elementos en un compuesto, se utilizan una serie de prefijos y sufijos: 1 Nº oxidación

_ico

2 Nos oxidación

_oso FeO : óxido ferroso _ico Fe2O3 : óxido férrico

CaO

: óxido cálcico

3 Nos oxidación

Hipo _oso SO : anhídrido hiposulfuroso _oso SO2 : anhídrido sulfuroso _ico SO3 : anhídrido sulfurico

4 Nos oxidación

hipo _oso _oso _ico per _ico

HClO : ácido hipocloroso HClO : ácido cloroso HClO : ácido clórico HClO : ácido perclórico

4. ELEMENTOS CON FORMULA MOLECULAR Aparte de la nomenclatura tradicional, se aplica la nomenclatura sistemática, indicando el número de átomos presentes, mediante prefijos. Ejemplos: N2 dinitrógeno (tradicional: nitrógeno (se sobreentiende a 25 ºC en cuyo caso es N2 y no N)) O3: trioxígeno (tradicional: ozono) S6: hexaazufre (tradicional: ε-azufre).

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5. ÓXIDOS Son compuestos binarios formados por la combinación de un elemento y el oxígeno con nº de oxidación -2. LOS Nº DE OXIDACIÓN DE LOS ELEMENTOS SE INTERCAMBIAN ENTRE ELLOS Y SE PONEN COMO SUBÍNDICES. Si el Nº de oxidación del otro elemento es par, se simplifica dividiendo ambos subíndices por 2.

5.1. ÓXIDOS BÁSICOS Son compuestos binarios formados por la combinación de un metal y el oxígeno. Su fórmula general es:

M2OX

donde M es un metal y x el Nº oxidación del metal (el 2 corresponde al Nº oxidación del oxígeno). Se dan algunos ejemplos en la siguiente tabla. Nº oxdc I II III IV

Fórmula

N. sistemática

N. Stock

Na2O Ca2O2 = CaO Fe2O2 = FeO Fe2O3 Pb2O4 = PbO2

Monóxido de disodio Monóxido de calcio Monóxido de hierro Trióxido de dihierro Dióxido de plomo

Óxido de sodio Óxido de calcio Óxido de hierro(II) Óxido de hierro(III) Óxido de plomo(IV)

N. tradicional

(la más frecuente)

Óxido sódico Óxido cálcico Óxido ferroso Óxido férrico Óxido plúmbico

5.2. ÓXIDOS ÁCIDOS (antiguamente ANHÍDRIDOS) Son compuestos binarios formados por un no metal y oxígeno. Su fórmula general es: Y2OX donde Y es un no metal y x el Nº de oxidación del no metal (el 2 se refiere al Nº de oxidación del oxígeno). Se dan algunos ejemplos en la siguiente tabla. Nº oxdc I II III IV V VI VII

Fórmula

N. sistemática

F2O Cl2O SO I2O3 SO2 Br2O5 SO3 I2O7

Difluoruro de oxígeno Monóxido de dicloro Monóxido de azufre Trióxido de diodo Dióxido de carbono Pentaóxido de dibromo Trióxido de azufre Heptaóxido de diodo

(la más frecuente)

N. Stock Fluoruro de oxígeno(II) Óxido de cloro(I) Óxido de azufre(II) Óxido de iodo(III) Óxido de carbono(IV) Óxido de bromo(V) Óxido de azufre(VI) Óxido de iodo(VII)

N. tradicional (no usarla) ----------------------------

Anhídrido hipocloroso Anhídrido hiposulfuroso Anhídrido iodoso Anhídrido carbónico Anhídrido brómico Anhídrido sulfúrico Anhídrido periódico

La nomenclatura tradicional de los óxidos de nitrógeno es un tanto especial Nº oxdc I II IV III V

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Fórmula N2O

N. sistemática * óxido de dinitrógeno

N. Stock * óxido de nitrógeno(I)

NO NO2 N2O3 N2O5

óxido de nitrógeno dióxido de nitrógeno trióxido de dinitrógeno pentóxido de dinitrógeno

óxido de nitrógeno(II) óxido de nitrógeno(IV) óxido de nitrógeno(III) óxido de nitrógeno(V)

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N. tradicional protóxido de nitrógeno, óxido nitroso óxido nítrico dióxido de nitrógeno anhídrido nitroso anhídrido nítrico

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EJERCICIO 1. COMPLETA LA TABLA Fórmula F2O I2O7 As2O5 CaO Fe2O3 PbO2 Al2O3 SnO N2O5 Au20

N. sistemática

N. Stock

N. tradicional

Óxido aúrico Óxido cuproso Óxido de azufre(IV) Óxido ferroso

6. HIDRUROS Son compuestos binarios formados por un metal e hidrógeno. Su fórmula general es: Donde M es un OXIDACIÓN -1. Nº oxdc I II III IV

MHX metal y x el Nº de oxidación del metal.

Fórmula

N. sistemática

N. Stock

NaH FeH2 FeH3 SnH4

Monohidruro de sodio Dihidruro de hierro Trihidruro de hierro Tetrahidruro de estaño

Hidruro de sodio Hidruro de hierro(II) Hidruro de hierro(III) Hidruro estaño(IV)

EL HIDRÓGENO TIENE Nº

N. tradicional

(la más frecuente)

Hidruro sódico Hidruro ferroso Hidruro férrico Hidruro estánnico

6.1. HIDRUROS DE NO METALES Hay no metales como el nitrógeno, fósforo, arsénico, antimonio, carbono, silicio y boro que forman compuestos con el hidrógeno y que reciben nombres especiales. Nitrógeno, fósforo, arsénico, antimonio y el boro funcionan con la Nº oxidación 3, mientras que el carbono y el silicio lo hacen con Nº oxidación 4. Nº oxdc -III -III -III -III -III -IV -IV

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Fórmula

N. tradicional

NH3 PH3 AsH3 SbH3 BH3 CH4 SiH4

Amoniaco Fosfina Arsina Estibina Borano Metano Silano

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(la más usada)

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N. sistemática Trihidruro de nitrógeno Trihidruro de fósforo Trihidruro de arsénico Trihidruro de antimonio Trihidruro de boro Tetrahidruro de carbono Tetrahidruro de silicio

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EJERCICIO 2. COMPLETA LA TABLA Fórmula AuH3 LiH

N. sistemática

N. Stock

N. tradicional

Hidruro de plomo(II) Hidruro de plata Fosfina Metano Trihidruro de arsénico N2O3 NO Pentaóxido de dinitrógeno Trióxido de azufre Óxido ferroso Hidruro niquélico PbO2 Óxido de bromo(VII) Hidruro de calcio

6.2. ÁCIDOS HIDRÁCIDOS Son compuestos binarios formados por determinados no metales e hidrógeno. Los no metales que forman estos ácidos son los siguientes: • Flúor, cloro, bromo, yodo (todos ellos funcionan con Nº de oxidación -1) • Azufre, selenio, teluro (funcionan con Nº de oxidación -2). Su fórmula general es:

H xY

Donde Y es el no metal y x su Nº de oxidación. El hidrógeno funciona con Nº de oxidación 1. Nº oxdc -I -I -I -I -II -II -II

Fórmula* HF HCl HBr HI H2S

N. tradicional * (cuando está en disolución) Ácido fluorhídrico Ácido clorhídrico

N. tradicional * (cuando está en estado puro) Fluoruro de hidrógeno Cloruro de hidrógeno

Ácido sulfhídrico

Sulfuro de hidrógeno Seleniuro de hidrógeno

Ácido telurhídrico

*Completa los datos de la tabla

7. HIDRÓXIDOS Son compuestos formados por un metal y el grupo hidroxilo (OH). Su fórmula general es: M(OH)X Donde M es un metal y x su Nº de oxidación. EL GRUPO -OH TIENE VALENCIA -1. Se dan algunos ejemplos en la siguiente tabla. Nº oxdc I II II III IV

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Fórmula

N. sistemática

N. Stock

NaOH Ca(OH)2 Ni(OH)2 Al(OH)3 Pb(OH)4

Hidróxido de sodio Dihidróxido de calcio Dihidróxido de níquel Trihidróxido de aluminio Tetrahidróxido de plomo

Hidróxido de sodio Hidróxido de calcio Hidróxido de níquel (II) Hidróxido de aluminio Hidróxido de plomo (IV)

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(la más frecuente)

N. tradicional Hidróxido sódico. Hidróxido cálcico Hidróxido niqueloso Hidróxido alumínico Hidróxido plúmbico

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EJERCICIO 3. COMPLETA LA TABLA Fórmula Fe(OH)3 Cr(OH)2

N. sistemática

N. Stock

N. tradicional

Hidróxido de talio(I) Hidróxido de mercurio(II) Dihidróxido de cadmio Hidróxido estannoso K(OH) Hidróxido estánnico Óxido de plomo(II) Anhídrido carbónico Óxido de platino(IV) NiH3 Óxido ferroso Ag(OH) H2Se Ácido bromhídrico

8. ÁCIDOS OXÁCIDOS Son compuestos ternarios formados por un no metal, oxígeno e hidrógeno. Formalmente se obtienen a partir de un óxido ácido (o anhídrido) que adiciona una o varias moléculas de agua. Su fórmula general es: nH2O + Y2Ox = HaYbOc donde H es el hidrógeno, Y el no metal y O el oxígeno. Los hidrógenos de los oxácidos van unidos al oxígeno, por lo que podría (y a veces así se hace) considerarse tantos grupos OH como H existan. Por ejemplo H2SO4 también puede escribirse como SO2(OH)2, como se hace en la nomenclatura de coordinación. Dentro de las varias nomenclaturas sistemáticas sólo utilizaremos la de tipo Stock. En ella se nombra al anión terminado en ato seguido del indicador del número de oxidación del átomo central y la palabra hidrógeno. La utilización otras nomenclaturas sistemáticas suele quedar reducida a la formulación de sustancias complejas, que nosotros no abordaremos.1 A nuestro nivel, la nomenclatura tradicional es la más ampliamente utilizada, por lo que será descrita para todos los ácidos de nuestro interés. Los ácidos se suponen provenientes de la reacción de un óxido ácido con el agua, lo cual es formalmente cierto. S forma 3 oxácidos con los Nº de oxidación 2, 4 y 6 Nº ox II IV VI

Fórmula SO + H2O = H2SO2 S2O + H2O = H2SO3 SO3 + H2O = H2SO4

N. tradicional Ácido hiposulfuroso Ácido sulfuroso Ácido sulfúrico

N. sistemática Dioxosulfato(II) de hidrógeno Trioxosulfato(IV) de hidrógeno Tetraoxosulfato(VI) de hidrógeno

1

La nomenclatura sistemática aditiva es la más completa y compleja, consiste en nombrar consecutivamente todos los átomos o grupos realmente presentes en la molécula. En el caso de los ácidos más simples queda: nº-degrupos-hidróxido + nº-grupos-óxido + nº-átomos-del-elemento-base. Ejemplo: H2SO4 = [SO2(OH)2] dihidróxidodioxidoazufre Para otros ácidos más complejos se requieren conocimientos adicionales difíciles de adquirir. Ejemplo: H4P2O7 µ-oxido-bis(dihidróxidooxidofósforo)

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Cl, Br, y I forman 4 oxácidos con los Nº de oxidación 1, 3, 5 y 7 Nº ox I III V VII

Fórmula Cl2O + H2O = 2 HClO Cl2O3 + H2O = 2 HClO2 Cl2O5 + H2O = 2 HClO3 Cl2O7 + H2O = 2 HClO4

N. tradicional Ácido hipocloroso Ácido cloroso Ácido clórico Ácido perclórico

N. sistemática Oxoclorato(I) de hidrógeno Dioxoclorato(III) de hidrógeno Trioxoclorato(V) de hidrógeno Tetraoxoclorato(VII) de hidrógeno

N forma dos oxácidos, con Nº de oxidación 3 y 5. Nº ox III V

Fórmula N2O3 + H2O = 2 HNO2 N2O5 + H2O = 2 HNO3

N. tradicional Ácido nitroso Ácido nítrico

N. sistemática Dioxonitrato(III) de hidrógeno Trioxonitrato(V) de hidrógeno

P, As y Sb forman ácidos con Nº de oxidación 3 y 5, al unirse los óxidos precursores con tres moléculas de agua, obteniéndose los ácidos OR...