miércoles, 23 de junio de 2021

Formulación y nomenclatura de los hidruros no metálicos

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A medida que el enlace entre el hidrógeno y el elemento específico se hace más covalente, también lo hace la estabilidad del hidruro, a tal punto que tenemos la generación de polihidruros estructuralmente complejos. El elemento con el que se forman los hidruros más complejos es el carbono, siendo esto conocidos como hidrocarbonos o más comúnmente como hidrocarburos, y objeto de la química orgánica. Sin embargo, otros elementos pueden generar estructuras complejas como es el caso del boro, por lo que el libro rojo de 2005 de la química inorgánica (Connelly et al., 2005) publicó algunas recomendaciones para estas sustancias, que para ser justos son bastante similares a las reglas de la química orgánica.

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Formula estructural de diborano.

Para el caso de los hidruros del boro, y aquí es donde empezamos a poseer problemas, pues aparte de las formas básicas, también es posible obtener hidruros de doble unidad, los cuales son particularmente raros, especialmente desde el punto de vista del hidrógeno. En el diborano el hidrógeno es capaz de entablar aparentemente dos enlaces que sirven de puente a los dos átomos del boro. Muchos otros hidruros del grupo pueden hacer lo mismo como en el caso del aluminio y el galio. La principal consecuencia de esto es que las nomenclaturas de estos hidruros requieren de un sistema complejo que permita describir las estructuras. Dado que dicha nomenclatura está íntimamente ligada a la nomenclatura sistemática de los hidrocarburos nos enfocaremos únicamente en ella. Adicionalmente mencionaremos los nombres tradicionales o regulares para sustancias cuando haga falta. En cualquier caso, las recomendaciones para 2005 de los hidruros hacen referencia a algo llamado nomenclatura de sustitución.

Los ácidos hidrácidos se forman con algunos de los elementos del grupo 16 (VI) o del oxígeno y con algunos de los elementos del grupo 17 (VII) o del flúor. Decimos algunos porque los elementos radioactivos más pesados de cada columna –el astato y el polonio –no presentan ácidos o hidruros reportados (Matamála, & Gonzalez, 1976), además de tener tendencia a comportarse como metales. Estos hidruros se caracterizan por una tendencia a liberar hidrógenos al diluirse en agua, algunos son ácidos muy potentes como el que se forma con el cloro, pero otros son débiles como el que se forma con el oxígeno. El nombre de ácido hidrácido es el más común, pero en realidad no es el nombre de ellos como sustancias puras sino el de una mezcla homogénea entre ellos y el agua. Como sustancias puras se los puede denominar como hidruros con las mismas reglas de los hidruros metálicos.

Tabla 8. Nomenclaturas tradicionales de los ácidos hídricos

Una característica importante es que en estos hidruros el elemento más electronegativo deja de ser el hidrógeno y por lo tanto su estado de oxidación para a ser el +1, y cuando la sustancia se ioniza se liberan iones de hidrógeno(1+) en lugar del ion de hidruro(1-) que generan los hidruros iónicos metálicos. Dado que todos los ácidos hídricos tienden a evaporarse en sus formas moleculares, la nomenclatura depende mucho de sí están mezclados en agua o liberados en el aire. Para algunas nomenclaturas solo se les da el nombre de ácido cuando están en solución acuosa, mientras que se les da el nombre de hidruro cuando están en forma gaseosa. Adicionalmente en las fórmulas moleculares el hidrógeno pasa a la izquierda puesto que es menos electronegativo.

Todas estas sustancias forman enlaces covalentes polares, y eso incluye al hidruro del flúor. Aunque la diferencia de electronegatividades es de 1,9 esta cosa no forma redes cristalinas iónicas, y se disuelve muy débilmente en agua. Esto se debe a que el tamaño del flúor altera sus propiedades siendo una excepción dentro de la regla que empleamos generalmente para determinar la ionicidad de una sustancia. Esto prueba una vez más que la química es una ciencia cuyos modelos tienen muchas excepciones y que depende más del trabajo experimental que del teórico en muchas instancias.

Las nomenclaturas tradicionales para estas sustancias son dos, la de ácidos hidrácidos, y la de sales binarias en las que el catión es el hidrógeno. Los nombres a la izquierda se emplean especialmente cuando estamos hablando se soluciones acuosas, mientras que la de la derecha cuando hablamos de gases o sólidos.

La nomenclatura IUPAC para estas sustancias puede dividirse en dos, la de composición y la de sustitución. Por composición componemos el nombre contando átomos y empleamos los prefijos adecuados, teniendo en cuenta que el prefijo mono no es empleado para el descriptor específico. En este caso el sufijo -uro lo lleva el elemento más electronegativo.  La segunda nomenclatura, de sustitución es la de los hidruros progenitores en la que se emplea el nombre o raíz latina del elemento terminado en -ano

Tabla 9. Nomenclaturas sistemáticas de los ácidos hídricos

Algunos nombres cambian debido a que ya son empleados en otras sustancias. Por otra parte, el oxidano casi nunca se nombra así, pues es el agua, e incluso en textos superformales, se la llama agua. La nomenclatura Stock parece no ser empleada para los ácidos hidrácidos debido a que esta se emplea para compuestos de carácter fuertemente iónico. Finalmente, de las dos nomenclaturas, se prefiere la segunda, la de los hidruros progenitores ya que permite nombrar no solo los ácidos hidrácidos, sino también otras sustancias que se forman a partir de ellos mediante las reglas que vimos en la sección anterior.

Los hidruros progenitores son aquellos hidruros de los grupos 13, 14 y 15 e incluso los del 16 y 17 que poseen un solo átomo central diferente del hidrógeno, siendo semejantes a lo que se esperaría de un hidruro metálico simple. Estos hidruros establecen la base de nombramiento. Cabe destacar que en casos como el carbono no se emplearía el nombre sistemático esperable “carbano” aunque técnicamente debería ser aceptable. Sin embargo, solo emplearemos la nomenclatura de sustitución para algunos hidruros del grupo 14, 14 y 15 ya que para el grupo 16 y 17 es más común nombrar por la nomenclatura de composición. Adicionalmente algunos hidruros metálicos en el grupo 13 y 14 no se tomarán en cuenta en esta sección. Eso se debe a que los hidruros del 13, 14 y especialmente del 15 tienden a ser básicos en sus propiedades químicas, mientras que los hidruros del 16 y 17 son ácidos.

Todos los hidruros progenitores se nombran por homología al hidrocarburo más simple, el metano, que deriva su nombre de un indicador de numero de carbonos “met-“ que representa un carbono y el sufijo “-ano” que indica que no existen dobles enlaces entre enlaces de carbono. En consecuencia, todas estas sustancias terminarán con el sufijo ano. El nitrógeno es una segunda excepción igual que el carbono, y en lugar del sistemático nitrano emplearemos la raíz “az-“ de su nombre arcaico azote. Y el antominio es la tercera excepción empleando la raíz “estib-“ de su nombre arcaico stibium. En nomenclaturas tradicionales los hidruros del grupo del nitrógeno empleaban el sufijo “-ina” dando lugar a fosfina, estibina o arsina, pero en la actualidad se recomienda el desuso de estos nombres.

Tabla 10. Hidruros protenitores.

En la nomenclatura de sustitución los nombres se basan en los de los hidruros progenitores en los que se ha realizado la sustitución de átomos de hidrógeno por grupos sustituyentes. Este sistema de nomenclatura se recomienda solamente para los derivados de los hidruros progenitores cuyos nombres se encuentran en la siguiente tabla y para los derivados de los hidruros polinucleares que contienen solamente estos elementos. Hay que destacar que en el caso de que algunos hidruros de los grupos 6 y 17 formen moléculas homólogas a las siguientes, es mejor asumirlos como hidruros progenitores.

El hidruro progenitor se denomina borano, sin embargo, con los boranos ocurre que el hidrógeno nos puede hacer trampas en su capacidad de enlace, especialmente con el diborano. Por esta razón en la nomenclatura de los boranos se debe indicar entre paréntesis la cantidad de hidrógenos presentes en la fórmula molecular, el número se expresa en arábigo:

 BH3 borano; B2H6 diborano(6); B20H16 icosaborano(16). Los boranos pueden formar estructuras tridimensionales polihédricas no lineales increíblemente complejas, las cuales se describen por medio de prefijos que toman en cuenta una relación entre cantidad de átomos de boro y cantidad de átomos de hidrógeno, para indagar sobre este asunto se aconseja consultar el libro rojo de la química inorgánica.

La razón principal para separar a los hidruros es más o menos de desarrollo de esta presentación y se relaciona con el error conceptual del amoniaco. Cuando se estudia clásicamente los hidruros no metálicos, generalmente se presta atención a tres categorías, los pacidos hidrácidos que son los hidruros de los grupos 16 y 17 que trataremos luego, los hidrocarburos que tienen todo un capítulo dedicado a ellos exclusivamente y el amoníaco, que es de alguna manera una anomalía. Anomalía porque para el grado en que uno enseña nomenclatura inorgánica se hace hincapié en la acides de los ácidos hidrácidos, por lo que al ver la fórmula del amoniaco el estudiante repetitivamente salta a juzgarlo como un ácido más debido a que posee hidrógenos. 

Sin embargo, ese error conceptual es un poco más justificable si analizamos los hidruros no metálicos de 13 y el 14. El borano en agua no genera acides o basicidad directa, pero produce el ácido bórico y por lo tanto indirectamente poseería un comportamiento acidificante, eso además de generar dihidrógeno (Tillman, 1995). El metano por su parte al reaccionar con el agua genera también dihidrógeno y monóxido de carbono que a su vez podría formar el hidrogeno(dioxidocarbonato) o ácido carbonoso (Araki, Mohri, Yoshimitsu, & Miyake, 2007; Joesten, Hogg, & Castellion, 2006).

El amoniaco y las sustancias homólogas formadas por elementos del mismo grupo del nitrógeno tienen un comportamiento básico (Gal & Maria, 1990), opuesto a los ácidos, lo cual los hace una excepción al comportamiento ácido, ya sea indirecto como en los hidruros del grupo 14 y 14 o directo como en los hidruros del grupo 16 y 17.

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