(Ciencias de Joseleg)(Química)(Lenguaje químico)(Formulación y nomenclatura inorgánica) (Ejercicios resueltos)(Introducción)(Historia)(Generalidades de la nomenclatura tradicional)(Generalidades de la nomenclatura Stock)(Generalidades de la nomenclatura sistemática)(Nomenclatura de isótopos)(Formulación química)(Fórmulas químicas teóricas)(Elementos)(Hidruros no metálicos)(Óxidos)(Hidróxidos)(Oxácidos)(Iones)(Sales)(Referencias bibliográficas)(Versión documento word)
En este capítulo realizaremos una descripción de los
conceptos básicos de nomenclatura y formulación en química inorgánica. El tema
es extenso, tanto en los conceptos que hay que manejar como en los aspectos
históricos que se podrían abordar, sin embargo –y aunque algunos opinen otra
cosa –el objeto primordial de estos escritos es que los estudiantes puedan
abordar la resolución de ejercicios de lápiz y papel de nomenclatura y
formulación químicas. La nomenclatura se define como el modo en que le damos
nombre a un material químico. El modo de dar nombre a las sustancias ha
variado mucho a lo largo de la historia, por ejemplo, durante la época de la
alquimia era común que las sustancias químicas recibieran nombres crípticos son
entidades religiosas o astronómicas, creando un código secreto que solo podía
ser leído por unos pocos iniciados (Crosland, 2004).
Todo cambió con las propuestas de Lavoisier y su comunidad,
de aquí en adelante el concepto sustancia pura simple “elemento” y sustancia
pura compuesta “compuesto” serían vitales a la hora de darle nombre a las
sustancias. Una sustancia compuesta se nombra en base a las sustancias simples
que la componen (Hendry, 2006). La propuesta no estuvo libre
de controversias, muchos químicos que empleaban la teoría del flogisto se
opusieron a esta nueva forma de nombrar las sustancias, pues la acusaban de ser
teóricamente sesgada (Sánchez & Belmar, 2006).
Independientemente a las disputas históricas, la idea de
nombrar a los compuestos por sus elementos constitutivos fue la que ha
perdurado, por lo menos para aquellas sustancias relativamente simples, y es la
idea sobre la cual fundamentamos las reglas que describiremos a continuación.
La nomenclatura química requiere que usted como estudiante tenga la noción, al
menos utilitaria, de los siguientes conceptos: elemento químico, formulas, y
estados de oxidación. Por tal razón, antes de ingresar directamente a las
reglas de nomenclatura, realizaremos una breve introducción de estos conceptos.
La química es una ciencia experimental y como tal damos por
presupuestos principios que provienen desde la experimentación a la hora de
definir elemento, compuesto y sustancia. De lo que el estudiante, el químico o
el filósofo pueden dar cuenta en el mundo sensible y tangible de lo
macroscópico es de sustancias continuas, las cuales al combinarse parecen
transmutar en otras sustancias nuevas. En este sentido la transmutación hace
referencia al cambio de las propiedades de las sustancias iniciales a las finales. De aquí que la teoría atómica tenga como fin
último –al menos en la química –dar una explicación metodológicamente útil al
asunto de la reacción/transmutación de las sustancias al inicio del cambio
químico en las sustancias al final. Uno de los aspectos que permitiría la
definición de los átomos fue la definición de elemento o sustancia simple.
Boyle fue el primero en dar una definición de elemento que cortaba con las
tradiciones de la alquimia y el flogisto, y posteriormente Lavoisier la
retomaría (Hendry, 2006; Paneth, 2003) . Para ellos un elemento era:
Ser sustancias que no pueden dividirse en otras por métodos químicos.
Esto es, a pesar de que muchas sustancias cambian sus
propiedades y presentación en el mundo macroscópico, algunas parecían estar
compuestas por las mismas sustancias simples. Sin el presunto de una sustancia
elemental, es imposible pensar posteriormente en los átomos. Ahora el problema
estaría definido por las posibilidades experimentales para poder identificar
correctamente las sustancias simples de las compuestas, ya que al nivel de lo
macroscópico son indistinguibles. Un ejemplo es el aire, por milenios se lo
consideró como un elemento, pero para el siglo XVIII-XIX los adelantos
tecnológicos permitieron dar cuenta de los componentes del aire, haciéndolo una
sustancia compuesta y no un elemento. El propio Dalton tendría problemas con
este asunto experimental.
La nomenclatura química se enfocará en primera instancia de
dar nombre a sustancias puras, sean estas elementales o compuestas (Hendry, 2006; Ruthenberg, 2009). Sin embargo, una vez que
tenemos esto claro, ahora surge la pregunta, ¿cuáles son los tipos de
sustancias puras? Por lo general los libros de texto se enfocan en cuatro:
óxidos, hidróxidos, ácidos y sales. Esta visión, aunque útil es sesgada, ya que
deja de lado a muchas otras sustancias de uso común. Como las sustancias
elementales y los hidruros no ácidos. Así que antes de avanzar en los modelos
de estas sustancias, primero describiremos en términos generales de que hablaremos.
Átomos elementales que no son sustancias
Corresponde al modo en que nombramos a los átomos tomando en
cuenta la naturaleza de su composición subatómica y no a su naturaleza como
sustancia. Concretamente en esta categoría estudiamos el modo en que se
escriben los símbolos de los elementos y la nomenclatura de los isótopos. De
hecho, en el propio libro rojo de la nomenclatura inorgánica (Connelly, Damhus, Hartshorn, & Hutton, 2005) se diferencia en la sección
IR-3 donde se da el nombre de los elementos, pero no relacionado a las
sustancias.
Sustancias elementales
Son sustancias elementales aquellas sustancias puras
compuestas por átomos que poseen la misma cantidad de cargas positivas, es
decir el mismo número atómico, pero que pueden diferir en su composición
isotópica. Los isótopos, aunque poseen diferente masa, poseen una configuración
electrónica y energética semejante, y en consecuencia se comportan de forma
química igual, por lo que las sustancias elementales, aun cuando compuestas por
diferentes isótopos son puras en términos químicos, reaccionan igual con otras
sustancias. De las sustancias elementales distinguimos tres estados de la
materia en las cuales se presentan en condiciones estándar. Cuando no hacemos
referencia a su estado, lo que hacemos es refiere al asunto de que forman
moléculas, por ejemplo, el oxígeno molecular es una molécula de dos átomos de
oxígeno, pero también lo podemos denominar como oxígeno gaseoso ya que es un
gas a temperatura ambiente. Los únicos elementos que no forman sustancias
moleculares son los gases nobles.
Hidruros metálicos
Los hidruros metálicos se emplean como catalizadores u
reactivos clave en las síntesis orgánicas, y como agentes desecantes. Sin
embargo, en la actualidad se investigan los hidruros de los metales de
transición por sus propiedades quimioelectricas para el desarrollo de baterías,
y superconductores. Cabe destacar que el hidrógeno es el único elemento
donde el isótopo sí importa, por lo que muchos hidruros generados con deuterio
se emplean en la fabricación de armas nucleares(Akiba & Okada, 2002; Ashcroft, 2004; Bowman Jr
& Fultz, 2002).
Hidruros del boro
Algunos elementos son capaces de generar más de un compuesto
o sustancia diferente con el hidrógeno, y aunque el más famoso es el carbono,
este no es el púnico. El boro también es capaz de generar cierta variedad de
compuestos de hidrógeno denominados boranos. Los boranos son sustancias
sintéticas que se emplean como reactivos en síntesis orgánicas. Algunos con
puestos como el etilborano tienen potencial como combustibles de aeronaves,
especialmente de aeronaves experimentales de alta velocidad como el famoso
SR-71 Blackbird (H. C. Brown, Kramer, Levy, & Midland, 1975; Crickmore,
2016).
Hidruros de los grupos del nitrógeno
Los hidruros del nitrógeno no pueden ser considerados
metálicos, pero tampoco son ácidos, de hecho, muchos poseen propiedades
básicas. El más importante es el amoniaco, que es un componente importante del
ciclo del nitrógeno en la naturaleza. En general se los conoce como los
hidruros pnictogenos a los hidruros con una estructura semejante al amoniaco
formado por tres hidrógenos y un átomo central del grupo 15. Todos los hidruros
pnictogenos son muy tóxicos, disminuyendo su solubilidad en el agua a medida
que aumenta la masa molecular, siendo los más masivos gases térmicamente
inestables (Mendeleev, Meyer, & Grupos, s/f). Tienen un comportamiento
básico anulando a los ácidos, esto debido a que en presencia de agua absorben
protones, que son la parte liberada por un ácido que le confiere su naturaleza
corrosiva.
Hidruros del carbono
Son increíblemente diversos ya que el carbono posee
propiedades de estabilidad al enlazarse con sigo mismo y con otros elementos,
siendo estos compuestos la base de las sustancias orgánicas. El estudio de los
hidruros del carbono es tan extenso que corresponde a su propia sección y año
escolar completo, el cual estudiaremos como nomenclatura orgánica (McMurry,
2012; Solomons, Fryhle, & Snyder, 2014; Wade, 2012).
Brady & Humiston, 1986; Brown et al., 2015;
Brown, LeMay, Bursten, Murphy, & Woodward, 2009; Chang, 2006, 2010; Chang
& Overby, 2011; Ebbing & Gammon, 2008; Gilbert, Kirss, Foster, &
Davies, 2012; Gorzynski, 2010; Jespersen, Brady, & Hyslop, 2012; Matamála,
M., & Gonzalez, 1976; Petrucci, Harwood, & Herring, 2003; Petrucci,
Herring, Madura, & Bissonnette, 2010; Raymond, 2014; Silberberg, 2009;
Timberlake, 2015; Whitten, Davis, Peck, & Stanley, 2010; Zumdahl &
Zumdahl, 2007; Zumdahl, Zumdahl, & DeCoste, 2018)
Hidruros ácidos
Los más famosos son ácidos muy fuertes, pero también incluye
sustancias débilmente ácidas como el agua, algunos son gases otros son solubles
en agua, pero es raro poder aislarlos en formas puras líquidas sin que se
volatilicen (Matamála, & Gonzalez, 1976). Son ácidos debido a que liberan
total o parcialmente hidrógenos también llamados protones como catión.
Óxidos
Los ácidos son combinaciones de los elementos con el oxígeno
excepcionado al flúor. Dependiendo de con que elemento se forma pueden variar
en propiedades y estado de la materia. Los óxidos metálicos tienden a ser más
iónicos, con una naturaleza de sólidos densos que conforman la corteza terrestre,
mientras que los óxidos de los no metales tienden a ser más covalentes, y por
lo tanto a tener una menor polaridad, menores interacciones atómicas y en
consecuencia a volatilizarse gaseosamente. Las reacciones con el agua difieren
igualmente, la mayoría de los óxidos metálicos forman hidróxidos, mientras que
los óxidos no metálicos forman ácidos (Matamála, & Gonzalez, 1976).
Hidróxidos
Surgen de la unión de la mayoría de los óxidos metálicos con
el agua. Al igual que los hidruros no metálicos del nitrógeno poseen un
comportamiento de base, o lo que es lo mismo, tienden a neutralizar a los
ácidos cuando se mezclan. Los hidróxidos secos son sólidos, pero se solubilizan
en agua rápidamente liberando cationes metálicos y al grupo hidroxilo como
anión (Matamála, & Gonzalez, 1976).
Ácidos ternarios u oxoácidos
Los ácidos ternarios se componen de un catión protónico y un
anión que proviene de un óxido ácido. Los aniones son bastante complejos
tomando una estructura resonante. Son ácidos debido a que en agua ellos se
disocian del protón, y a mas protones más ácida se vuelve una solución acuosa o
gaseosa (Matamála, & Gonzalez, 1976).
Iones
Son entidades con cargas permanentes, los aniones son
entidades con carga positiva y los cationes entidades con carga negativa.
Dichas entidades pueden ser átomos desnudos o grupos de átomos que se comportan
como una sola unidad (Matamála, & Gonzalez, 1976).
Sales
Son sustancias fuertemente iónicas formadas por diferentes
aniones y cationes. Puede haber sales binarias, ternarias y amónicas, aunque se
pueden dar más tipos (Matamála, & Gonzalez, 1976).
Compuestos de adición
Los compuestos de adición son supramoléculas, o en otras
palabras supermoléculas formadas por moléculas más pequeñas. Un ejemplo típico
son los hidratados, en los cuales hay una molécula central rodeada por muchas
moléculas de agua (Matamála, & Gonzalez, 1976).
Los compuestos que pueden ser nombrados con facilidad son
aquellos que se denominan estequimétricos y que siguen la regla de formar
moléculas con átomos que pueden describirse por medio de números enteros
sencillos. Pero ese no es siempre el caso (Bevan & Hagenmuller, 2013; Cormack, 1987; Gusev,
Rempel, & Magerl, 2013; Mandelcorn & Mandelcorn, 1964). Los compuestos no
estequiométricos o berthólidos son un tipo de compuestos químicos en los cuales
los elementos que los forman no mantienen proporciones simples y enteras, sino
mixtas y variables, en contraposición a los compuestos estequiométricos o
daltónidos, que sí lo hacen, complementando con ello la ley de las proporciones
definidas de Proust.
Mientras los compuestos que forman moléculas discretas
cumplen la ley de Proust, en sólidos no moleculares con estructuras
cristalográficas definidas pueden aparecer defectos por ausencia, reemplazo o
cambio en el estado de oxidación de alguno de los elementos. Sólo afectan a las
proporciones aquellas imperfecciones llamadas no estequiométricas, y que
aparecen sobre todo en óxidos y sulfuros de metales de transición debido a la
capacidad del metal de existir en más de un estado de oxidación. El caso más
conocido es el del óxido de hierro, FeO, constituido por un empaquetamiento
cúbico compacto de iones óxido con todos los huecos octaédricos llenos en
principio de iones hierro(2+). En realidad algunos de los sitios están
vacantes, mientras otros, los suficientes para mantener la neutralidad
eléctrica, contienen iones hierro(3+), con lo que la estequiometría real se
sitúa entre Fe0,84O y Fe0,95O. Otro ejemplo clásico es el
del óxido de titanio, TiO, que presenta composiciones variables entre Ti0,74O
y Ti1,67O dependiendo de la presión del oxígeno gaseoso usado al
preparar el material. Otros compuestos como el NaCl y el CdO, a pesar de no
tener metales con varios números de oxidación pueden dar lugar también a este
tipo de defectos.
Las imperfecciones, aunque tienen poca influencia en las
propiedades químicas de la substancia, sí pueden afectar crucialmente a sus
propiedades físicas, como las eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas. Los
defectos que resultan de la presencia de impurezas constituyen la base de la
tecnología electrónica del estado sólido, como por ejemplo la de los
semiconductores. Un ejemplo es el cristal de germanio, que puede contaminarse
con trazas de galio o arsénico creando huecos o partículas electrónicas que
definen las bandas de semiconducción de carga. El nombre de bertólidos proviene
del químico francés Claude Louis Berthollet, quien mantuvo una larga polémica
con el también químico francés Joseph Louis Proust sobre la composición de las
substancias. Proust acabó prevaleciendo en su definición de compuestos
estequiométricos, los más frecuentes, y enunció la ley de las proporciones
definidas, fundamental para que el químico inglés John Dalton elaborara su
teoría atómica. Los compuestos estequiométricos se denominan también daltónidos.
Dado lo anterior, los compuestos no estequiométricos tienden
a nombrarse por medios triviales o determinando su naturaleza cristalina. Sin
embargo, debido a que son muy poco comunes haremos de cuenta como si no
existieran de momento.
Marie-Anne
Pierrette Paulze de Lavoiser
(Montbrison,
Francia, 20 de enero de 1758 - París, 10 de febrero de 1836), conocida como
Marie Lavoisier está considerada como "la madre de la química
moderna". Marie Lavoisier ha sido frecuentemente mencionada en su papel de
esposa del científico Antoine Lavoisier, aunque son menos difundidos sus logros
científicos en la química.
A la edad de tres años, se quedó huérfana de madre, Claudine Thoynet
Paulze. Su padre, Jacques Villee, abogado parlamentario y financiero, la envió
a un convento donde recibió su educación. Con casi catorce años fue pedida en
matrimonio por el Conde de Amerval, que la triplicaba en edad. Su padre intentó
oponerse, pero fue amenazado con perder su empleo si rehusaba, debido a lo cual
consultó con uno de sus colegas, si no estaría dispuesto a casarse con su hija.
Antoine Lavoisier tenía 28 años, era noble, abogado, economista y químico. Se
casaron el 16 de diciembre de 1771.
En 1775 la pareja se mudó a París, donde floreció el interés de
Lavoisier por la química. Pronto Marie comenzó a involucrarse en las
investigaciones científicas de su esposo y a participar activamente en el
trabajo del laboratorio. Antoine seguía trabajando para Ferme-Générale pero
había sido designado como administrador de la pólvora, en el Arsenal de París.
Con la seguridad económica que había alcanzado estuvo en condiciones de
construir un laboratorio.
A medida que el interés de Marie Anne avanzaba, recibió instrucción
formal en el campo de parte de Jean-Baptiste Bucquet y Philippe Gingembre,
ambos colegas de Antoine. El matrimonio Lavoisier pasaba la mayor parte de su
tiempo juntos en el laboratorio, trabajando en equipo, en varias direcciones.
En mayo de 1793, durante la Revolución francesa, ya en la etapa del
Reinado del Terror, Antoine fue acusado de traición, debido a su posición
prominente en la Ferme Générale. Con la misma
acusación, fue arrestado primero el padre de Marie-Anne y luego, el 28 de
noviembre, el propio Antoine, siendo recluido en Port-Libre. Durante la prisión
de su esposo, Marie-Anne lo visitaba regularmente y luchó por obtener su
libertad. Ella misma lo defendió ante Antoine Dupin, quien lo había denunciado,
y quien tenía también el poder de salvarlo. Marie-Anne apeló a las
investigaciones científicas que realizaban y la importancia que ellas tenían
para Francia. Sus apelaciones fueron inútiles y Antoine fue finalmente
enjuiciado y ejecutado el 8 de mayo de 1794 en París, cuando tenía 50 años. El mismo
día fue ejecutado también su padre.
Después de esto, Marie-Anne se volvió retraída. Todos sus bienes fueron
confiscados por el gobierno revolucionario, incluyendo los cuadernos de notas y
el laboratorio. A pesar de ello, logró reunir mucha documentación que organizó
y publicó como las Memorias de Química de Lavoisier,
sentando las bases de la química moderna.
El primer volumen contiene los trabajos sobre el calor y la formación de
los líquidos, mientras que el segundo está dedicado a las ideas sobre combustión,
aire, calcinación de metales, acción de los ácidos, y la composición del agua.
En la copia original Marie-Anne escribió el prefacio y atacó a los
revolucionarios y contemporáneos de Antoine, a quienes les atribuía la
responsabilidad por su muerte. Este prefacio no fue finalmente incluido en la
publicación, pero el libro permitió preservar las contribuciones de su marido y
las suyas propias en el campo de la química.
Algunos años después, Marie-Anne volvió a casarse, esta vez con Benjamin
Thompson, Conde de Rumford. Rumford era uno de los físicos más conocidos de su
tiempo, pero la pareja no logró asentarse y terminaron separándose. Marie-Anne
mantuvo a lo largo de toda su vida el apellido de su primer esposo, Lavoisier,
demostrando la devoción que le guardó. Murió el 10 de febrero de 1836 en su
casa en París, a los 78 años de edad.
Marie-Anne Lavoisier asistía a su marido Antoine en el laboratorio
durante el día, anotando observaciones en el libro de notas y dibujando
diagramas de sus diseños experimentales. Los estudios que realizó con el pintor
Jacques-Louis David le permitieron dibujar con precisión los aparatos del
laboratorio, algo que finalmente resultó de gran utilidad cuando se buscó
entender los métodos y resultados de Antoine. Madame Lavoisier fue también la
organizadora y editora de los informes.
Conjuntamente, el matrimonio Lavoisier rehízo el campo de la química
que, habiendo tenido sus raíces en la alquimia se había convertido en un saber
dominado por la noción de flogisto difundida por Georg Stahl. En el siglo XVIII
la idea del flogisto (un elemento similar al fuego que se libera durante la
combustión) fue usada para describir las propiedades aparentes de los cambios
que la materia experimentaba cuando se quemaba. Debido a su dominio del inglés,
latín y francés, Marie-Anne, realizó traducciones de varios trabajos sobre
flogisto para que su esposo los leyera. Probablemente su traducción más
importante haya sido el Ensayo sobre Flogisto de
Richard Kirwan, traducido y a la vez criticado por Madame Lavoisier, con notas
al pie en la que puntualizaba los errores químicos del trabajo. También tradujo
obras de Joseph Priestley, Henry Cavendish y otros investigadores, que
resultaron un aporte invalorable para Antoine. En el caso del flogisto, fue la
traducción de Marie-Anne la que lo llevó a la convicción de que la hipótesis
era incorrecta, lo que a su vez orientó a su marido en sus estudios sobre la
combustión y su descubrimiento del gas oxígeno.
A la postre resulta difícil distinguir cuales son los aportes de
Marie-Anne y Antoine, por lo que justamente, en todas las citas posteriores a
Antoine Lavoiser, cada vez que hablemos de Lovoiser deberemos asumir
implícitamente como el fruto del trabajo de la pareja.
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