Química para Estudiantes de Nutrición - Unidad 4: Compuestos

Números de Oxidación

El número de oxidación o también llamado estado de oxidación es la carga eléctrica ficticia que se le asigna a un átomo. Antiguamente se utilizaba el término VALENCIA pero se ha reemplazado con el número de oxidación. 

Se utiliza para indicar la posible carga neta del mismo y un posible método de contabilidad de electrones. Por ejemplo, se utiliza para conocer si una reacción es redox o no. Únicamente en el caso de los iones elementales se puede afirmar que el número de oxidación coincide con la carga eléctrica real del mismo.

El número de oxidación es necesario para poder formular y nombrar correctamente a un compuesto.

Fuente: De Quimica.Info

Algunas de las reglas para asignar número de oxidación:

A continuación se describen una serie de reglas para asignar el número de oxidación a diferentes átomos:

• El número de oxidación de un elemento en su estado libre es cero, 0. 
• Por ejemplo: H2, O2, P4, etc. = 0.
• El número de oxidación de iónes monoatómicos es igual a la carga de dichos iones. 
• Por ejemplo: Na+ = +1, Ca2+ = +2; Cl– = -1.
• El número de oxidación del hidrógeno es +1 en todos sus compuestos, excepto en los hidruros metálicos que es -1. 
• Por ejemplo: NaH.
• El número de oxidación del oxígeno es -2 en todos sus compuestos, excepto en los peróxidos don de es -1. 
• Por ejemplo: H2O2 o Na2O2. 
• El oxígeno combinado con flúor tiene un número de oxidación de -2. 
• Por ejemplo: OF2.
• El número de oxidación para los metales alcalinos (Li, Na, K, Rb …) es +1, y para los alcalinoterreos (Be, Mg, Ca, Sr …) +2. 
• El flúor es el elemento más electronegativo de todos correspondiéndole un número de oxidación de -1.
• En las combinaciones entre los no-metales (sin hidrógeno ni oxígeno), el elemento menos metálico presenta un número de oxidación negativo (siendo el valor numérico igual a la carga del ión negativo mas frecuente). 
• Por ejemplo: en el tetracloruro de carbono, CCl4, el cloro presenta un número de oxidación de -1 y el carbono de +4. (véase regla siguiente).
• Los números de oxidación de los elementos restantes, se calculan a partir de las reglas anteriores, teniendo en cuenta la suma algebraica de los número de oxidación debe de ser cero para moléculas neutras, e igual a la carga neta para los iones poliatómicos.

Suma Algebraica de número de Oxidación

EJEMPLO:

• ¿Qué número de oxidación tiene cada átomo en la molécula de cloruro de Zinc, ZnCl2 ?

La carga total en la molécula debe de ser cero, 0. Por tanto, si el número de átomos de Cloro es dos y su número de oxidación -1 (al ser ión negativo y pertenecer al grupo 17), el resultado para el cloro es  (-1) × 2 = -2.

Es decir, el único átomo de Zinc debe de tener carga opuesta (número de oxidación) +2 para que la suma total sea cero:

Cl = 2 × (-1) = -2

Zn = +2

Carga neta = 0 = (-2) + (+2)

En consecuencia, el número de oxidación del Zn = +2 y el del cloro Cl = -1.

Nomenclatura General

En química se conoce como nomenclatura (o nomenclatura química) al conjunto de normas y fórmulas que determinan la manera de nombrar y representar a los diversos compuestos químicos conocidos por el ser humano, dependiendo de los elementos que los componen y de la proporción en cada elemento.

3 sistemas de nomeclatura

Sistema estequiométrico o sistemático (recomendado por la IUPAC). Nombra los compuestos en base al número de átomos de cada elemento que los forman. Por ejemplo: El compuesto Ni2O3 se llama trióxido de diníquel.

Sistema funcional, clásico o tradicional. Emplea diversos sufijos y prefijos (como -oso, -it, -ico) según la valencia atómica de los elementos del compuesto. Este sistema de nomenclatura se encuentra mayormente en desuso. Por ejemplo: El compuesto Ni2O3 se llama óxido niquélico.

Sistema STOCK. En este sistema el nombre del compuesto incluye en números romanos (y a veces como subíndice) la valencia de los átomos presentes en la molécula del compuesto. Por ejemplo: El compuesto Ni2O3 se llama óxido de níquel (III).

En nuestro cursos, usamos la nomeclatura IUPAC. 

Reglas de nomenclatura IUPAC

Estructura básica

Fuente: UNLP

REGLAS BÁSICAS GENERALES

El nombre sistemático IUPAC de un compuesto orgánico puede construirse en base a una serie de pasos y reglas:

-identificación del grupo funcional principal y sustituyentes

-identificación de la cadena de carbonos más larga, que contiene al grupo funcional principal.

-asignar ubicación del grupo funcional principal y sustituyentes.

Grupos funcionales

Un grupo funcional es un átomo, o conjunto de átomos, unido a una cadena carbonada, representada en la fórmula general por R, para los compuestos alifáticos y como Ar, para los compuestos aromáticos).

Los grupos funcionales son responsables de la reactividad y propiedades químicas de los compuestos orgánicos.

El grupo funcional principal se usa para definir la clase a la que pertenece el compuesto y es el grupo funcional de mayor prioridad.

En la Tabla II (ANEXO) hay una lista de los grupos funcionales más importantes, dispuestos en orden de prioridad decreciente para una perspectiva de nomenclatura.

Se debe aprender a reconocer estos grupos funcionales no solo para la nomenclatura, sino para reconocer sus reacciones más adelante.

En cada caso se muestra la unidad de grupo funcional fundamental, los átomos involucrados y los patrones de enlace.

En seguida resumo las reglas UIPAC, descritas por Ibercaja en Red.

Óxidos Básicos

 Los óxidos básicos u óxidos metálicos son las combinaciones binarias del oxígeno con un metal. El número de oxidación del oxígeno es siempre -2, mientras que el del metal es positivo.

En la nomenclatura tradicional se utiliza la palabra "óxido" seguida del metal con unos prefijos y sufijos para indicar su número de oxidación:

- Sólo existe un número de oxidación: se utiliza el sufijo -ico o bien "óxido de METAL".

- Dos números: -oso para el menor, -ico para el mayor.

- Tres números: hipo-...-oso, -oso, -ico.

- Cuatro números: hipo-...-oso, -oso, -ico, per-...-ico.

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Óxidos Ácidos

Los óxidos ácidos a anhídridos son las combinaciones binarias del oxígeno con un no metal.

En la nomenclatura tradicional se utiliza la palabra "anhídrido" seguida del no metal con unos prefijos y sufijos para indicar su número de oxidación:

- Sólo existe un número de oxidación: se utiliza el sufijo -ico o bien "anhídrido de NO METAL".

- Dos números: -oso para el menor, -ico para el mayor.

- Tres números: hipo-...-oso, -oso, -ico.

- Cuatro números: hipo-...-oso, -oso, -ico, per-...-ico.

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Hidruros Metálicos

Los hidruros metálicos resultan de la combinación del hidrógeno con un metal. El hidrógeno actúa con estado de oxidación -1. En la fórmula se indica primero el símbolo del metal y después el del hidrógeno con la valencia del metal como subíndice:

MHn

En la nomenclatura tradicional se utiliza la palabra "hidruro" seguida del metal con un sufijo que indica su número de oxidación:

- Sólo existe un número de oxidación: se utiliza el sufijo -ico o bien "hidruro de METAL".

- Dos números: -oso para el menor, -ico para el mayor.

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Hidrácidos

Los hidrácidos o hidruros no metálicos son compuestos químicos resultantes de la reacción química del hidrógeno con un halógeno (flúor, cloro, bromo y yodo) o un anfígeno (S, Se, Te).

En el caso de los halógenos, su fórmula es HX, donde H es el hidrógeno y X el símbolo químico del halógeno. Para los anfígenos la fórmula es H2X.

En la nomenclatura tradicional se escribe la palabra "ácido" seguida del no metal con el sufijo "-hídrico".

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Hidruros Volátiles

Los hidruros volátiles son compuestos gaseosos que resultan de la combinación del hidrógeno con los elementos N, P, As, Sb, C, Si y B. Salvo el carbono y el silicio, que actúan con valencia 4, el resto lo hacen con valencia 3.

Su fórmula es XHn donde X es el símbolo químico del elemento, que actúa con valencia n= 3 o 4, y H es el hidrógeno.

En la nomenclatura tradicional se usan los nombres propios de estos compuestos: metano, borano, etc.

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Sales Binarias Neutras

Las sales binarias neutras o sales haloideas son combinaciones de un metal con un no metal, donde el no metal siempre actúa con estado de oxidación negativo. Proceden de la combinación de un hidróxido con un hidrácido.

La fórmula es MaNb, donde M es el elemento metálico y b su valencia, y N es el no metal y a es su valencia.

En la nomenclatura Sistemática se utilizan prefijos para indicar el número de átomos que hay en la molécula (mono-, di-, etc.) y el no metal además lleva el sufijo -uro.

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Sales Volátiles

Las sales volátiles son combinaciones entre dos elementos no metales, exceptuando el oxígeno y el hidrógeno.

La formula es XaYb, donde X e Y son elementos no metálicos, a es la valencia de Y, y b es la valencia de X.

En la nomenclatura sistemática un prefijo indica el número de átomos en ambos elementos (Y) y el menos electronegativo se escribe primero con el sufijo -uro.

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Hidróxidos

Los hidróxidos se comportan como compuestos binarios, ya que un metal se combina con el anión hidróxido OH-, que actúa siempre como una unidad conjunta.

En la fórmula va primero el símbolo del metal y a continuación el grupo hidróxido, entre paréntesis, y con la valencia del metal como subíndice: M(OH)a

En la nomenclatura tradicional se escribe la palabra "hidróxido" seguida del metal con unos prefijos y sufijos para indicar su número de oxidación:

- Sólo existe un número de oxidación: se utiliza el sufijo -ico o bien ningún sufijo.

- Dos números: -oso para el menor, -ico para el mayor.

- Tres números: hipo-...-oso, -oso, -ico.

- Cuatro números: hipo-...-oso, -oso, -ico, per-...-ico.

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Oxoácidos

Los oxoácidos son compuestos ternarios formados por hidrógeno, oxígeno y un elemento no metálico que actúa con estado de oxidación positivo. El hidrógeno actúa con número de oxidación +1 y el oxígeno con -2.

Los oxoácidos tienen la fórmula HaXbOc donde el número de oxidación del elemento X se calcula con la expresión (2c - a)/b .

En la nomenclatura sistemática primero se escribe un prefijo que indica el número de oxígenos, la palabra "oxo", otro prefijo para el número de átomos no metálicos, la raíz de ese átomo acabado en "-ato" y su valencia en números romanos y entre paréntesis. Por último las palabras "de hidrógeno", no se cuenta su número.

Entra en la pestaña Relaciona para asociar cada fórmula con su nomenclatura. En caso de duda puedes volver a esta pestaña en cualquier momento.

Fórmula Empírica, Estructural Formula Molecular

Existen tres tipos principales de fórmulas químicas: empíricas, moleculares y estructurales. 

Las fórmulas empíricas muestran la proporción más simple de átomos en un compuesto en números enteros, las fórmulas moleculares muestran el número de cada tipo de átomo en una molécula, y las fórmulas estructurales muestran cómo los átomos de una molécula se unen entre sí.

La diferencia se muestra mejor con ejemplos - este es el ejemplo de Khan academy. 

Composición Porcentual y Formulas Químicas

Una ley fundamental de la química afirma que en todo compuesto químico que esté formado por dos o más elementos diferentes, éstos se encuentran presentes en dicho compuesto en una cantidad o composición porcentual determinada. Lo que quiere decir, por ejemplo, que el hidróxido de aluminio Al(OH)3 que se obtenga en España tendrá el mismo porcentaje de aluminio, de oxígeno y de hidrógeno que el que se pueda obtener en cualquier otra parte del mundo.

La composición porcentual a través de la fórmula química

Conocida la fórmula de un compuesto químico, es posible saber el porcentaje de masa con el que cada elemento que forma dicho compuesto está presente en el mismo.

Ejemplo:

Una molécula de dióxido de azufre, SO2, contiene un átomo de azufre y dos de oxígeno. Calcular la composición en tanto por ciento de dicha molécula.

• Datos: la masa atómica del azufre es 32,1 y la del oxígeno, 16,0 u.

  El problema puede resolverse por dos vías:

  • Utilizando unidades de masa atómica:

    Masa molecular del SO2 = (32,1) + (2 · 16) = 64,1 u.

    Porcentaje de azufre en el compuesto:
    

    Porcentaje de oxígeno en el compuesto:

    

  • Utilizando gramos:

    1 mol de moléculas de SO2 (64,1 g) contiene 1 mol de átomos de azufre (32,1 g) y 2 moles de átomos de oxígeno (16,0 g).

    Porcentaje de azufre en el compuesto:

    Si en 64,1 g de SO2 hay ® 32,1 g de azufre, en 100 g habrá ® x, luego
    

    Porcentaje de oxígeno en el compuesto:

    Si en 64,1 g de SO2 hay ® 32,0 g de oxígeno, en 100 g habrá ® x, luego

    

La fórmula química de un compuesto a través de su composición porcentual

Conocida la composición porcentual de un compuesto o su composición elemental en gramos, se puede determinar su fórmula más simple mediante cálculos elementales.

La fórmula más simple o fórmula empírica de un compuesto es la menor relación entre el número de átomos presentes en una molécula de ese compuesto.

A través de la composición porcentual de un compuesto, puede conocerse su fórmula empírica.

Ejemplo:

El análisis de una muestra de un compuesto puro revela que contiene un 27,3% de carbono y un 72,7% de oxígeno en masa. Determinar la fórmula empírica de ese compuesto.

• Para resolver el problema consideramos 100 g del compuesto. Dada la composición porcentual del mismo, de esos 100 g corresponden 27,3 al carbono y 72,7 al oxígeno. Con ello, se puede calcular el número de moles de átomos de cada elemento:
• 
• Dividiendo los dos números obtenidos se llega a una relación empírica entera entre ambos, a partir de la cual se tiene la relación de átomos en la fórmula empírica:
• 
• La fórmula empírica corresponde al CO2, dióxido de carbono.