sábado, 5 de noviembre de 2011

11 NOMBRANDO LOS ÓXIDOS

Ya hemos visto los principales compuestos que se forman con el hidrógeno. Ahora veremos los principales compuestos que se forman con el oxígeno. Las moléculas del oxígeno son de las primeras sustancias en ser estudiadas en los capítulos de formulación y nomenclatura (Chang & Overby, 2011; Matamála & Gonzalez, 1976), aunque como hemos visto no es necesario comenzar con ellos. Al igual que los hidruros, los óxidos son compuestos binarios en los que el oxígeno es el agente oxidante adquiriendo los electrones con carga negativa para sí mismo. Esto es verdad para todas las combinaciones binarias con oxígeno, excepto cuando se une consigo mismo o cuando se une con el elemento más electronegativo de la tabla periódica, el flúor. Descontando estas dos excepciones, diremos que en los óxidos el oxígeno siempre se encuentra en un estado de oxidación de -2, por lo que su acompañante sea metal o no metal posee un estado de oxidación positivo. Teóricamente podemos formar óxidos con muchos estados de oxidación de un mismo elemento, pero al igual que sucede con los hidruros, algunos de estos óxidos no son estables en la naturaleza o en condiciones de laboratorio no fáciles de obtener, eso asumiendo que sean estequimétricos.

A pesar de lo anterior, los óxidos son infinitamente más comunes en la naturaleza, además que son más sencillos de producir en laboratorios de escuela. La razón es simple, la atmósfera suministra el reactivo oxígeno al metal o no metal que deseamos oxidar; si deseamos sintetizar un hidruro requerimos un ambiente libre de oxígeno y eso ya es más costoso. Los óxidos metálicos tienden a ser sólidos granulosos o talcos, mientras que los óxidos de los no metales tienden a ser líquidos o mucho más comúnmente, gases, algunos de los cuales son muy importantes para los seres vivos como el agua y el dióxido de carbono.

11.1 Formulación de los óxidos

Los óxidos tienden a formar estructuras resonantes, por lo que muchas de las cosas que esperamos teóricamente no se dan completamente en la naturaleza, sin embargo intentaremos introducir la teoría hasta donde se pueda y luego hablaremos de las desviaciones. Lo importante de la teoría es que nos permite entender la formación de los ácidos y las sales, pues aunque un óxido no se comporte teóricamente como tal cuando existe como óxido, al momento de reaccionar su comportamiento si concuerda con la teoría.

La fórmula molecular de los óxidos se obtiene por medio de la regla de aspa, colocando el oxígeno a la derecha debido a que es el más electronegativo, excepto cuando se combina con el flúor. Debido a que solo hay 8 estados de oxidación comunes en la tabla periódica, solo hay 8 fórmulas teóricas plausibles. Estas fórmulas se pueden dividir en dos grupos, los óxidos pares y los óxidos impares. Adicionalmente hay dos alternativas de fórmulas estructurales, dependiendo de si la molécula es iónica o de si es covalente, solo se puede elegir una de las dos.

La tabla de estructuras para los óxidos impares es la siguiente.





La tabla para los óxidos pares es la siguiente




Todos los óxidos de una diferencia de electronegatividades mayor a 1,7 son iónicos y debe elegirse en consecuencia la fórmula iónica. Existen algunas excepciones donde la diferencia de electronegatividades es de 1,4 y aun así se generan sólidos iónicos experimentalmente. En otros casos como en el óxido del hierro de estado de oxidación +3 se genera una molécula covalente. Hay dos desviaciones importantes de lo antes mencionado

11.1.1 Moléculas resonantes

Las formulas estructurales de los óxidos ofrecen más cosas que solo moléculas iónicas que forman cristales de cargas organizadas o moléculas covalentes predecibles y neutras. A medida que nos acercamos a los no metales como los grupos del carbono y el nitrógeno nos encontramos con anormalidades que no pueden predecirse por medio del modelo de los números de oxidación (Olivares Campillo, 2014), pero que tampoco concuerdan completamente con otros modelos como el de Lewis, por mucho que algunos autores se esfuercen en así afirmarlo, porque el problema principal es que estas estructuras vibran, o cambian su organización constantemente, es decir, son estructuras resonantes. Esto hace que todos los modelos de estas moléculas estén al mismo tiempo en lo cierto y al mismo tiempo en un error.

Algunos óxidos de este tipo son los que se forman con: carbono(2+), nitrógeno(1+), nitrógeno(2+), nitrógeno(3+), nitrógeno(4+), nitrógeno(5+) (Haynes, 2010). Lo bueno es que al menos la regla de aspa si nos predice adecuadamente la fórmula molecular, aunque no las cargas, estas sustancias no son neutras.

Aquí no hay más opción que memorizar, o rogar que el profesor no le dé por colocar uno de estos, que es lo más común. 

11.1.2 Moléculas complejas

A parte de las resonancias, tenemos la generación de moléculas complejas, es decir, momentos en los que las fórmulas que concluimos teóricamente son a lo sumo aproximaciones a la fórmula empírica, ya que las estructuras y fórmulas moleculares son diferentes. Esto se debe a la formación de polímeros, los cuales varían de ser estructuras relativamente simples, hasta poliedros tridimensionales complejos en el caso del fósforo: Boro(3+), fósforo(3+), fósforo (4+), fósforo(5+), arsénico(5+), antimonio(5+).
Sin embargo, estas sustancias pueden ser tratadas mediante el concepto de monómero-polímero. La fórmula que predecimos teóricamente es un monómero que se encadena rápidamente para formar polímeros complejos.

11.2 Clasificación de los óxidos

Se llama óxidos a los compuestos binarios de oxígeno y otro elemento. Se dividen en dos grupos:

a- Anhídridos u óxidos ácidos, porque al ser mezclados con agua generan ácidos oxoácidos.
b- Óxidos básicos porque al reaccionar con agua generan hidróxidos los cuales tienen un comportamiento básico.

La tabla periódica generalmente distingue entre metales, no metales, metaloides y gases nobles. En la presente imagen respectivamente se encuentra codificados del siguiente modo: verde, amarillo, rojo, gris y en blanco los elementos sintéticos que no han sido caracterizados en cuanto a sus propiedades químicas. Anhídridos son casi todos los óxidos de los no metales y algunos óxidos metálicos en que el metal posee elevada valencia como en el cromo y el manganeso. Los óxidos que dan lugar a las bases al ser tratados con agua, son los de los metales, particularmente cuando el metal funciona con valencia pequeña. Hay también óxidos cuyos productos de reacción con el agua poseen carácter anfótero, comportándose como ácidos y como bases (Zink y aluminio) y otros óxidos que no reaccionan con el agua, como el CO y el NO2.


11.3 Nomenclatura tradicional de los óxidos

Debido a que es posible formar muchos óxidos con cada elemento, podemos emplear las reglas de la nomenclatura tradicional de forma casi completa excepto por aquellos elementos que poseen más de cuatro números de oxidación. Debido a que la nomenclatura tradicional solo puede formar cuatro nombres específicos no ambiguos, los elementos con mayores estados de oxidación serán nombrados exclusivamente por la nomenclatura sistemática o Stock. Todas las nomenclaturas emplean un nombre genérico y un nombre específico para nombrar los óxidos. El nombre genérico es óxido y va al principio, mientras que el nombre específico depende del elemento diferente del oxígeno y va al final.

La fórmula anterior depende de la valencia, y al igual que con los hidruros, muchas de las cosas que nombramos no existen normalmente o no han sido aisladas experimentalmente por medio de síntesis artificial. Finalmente hay que recordar tener en cuenta la tabla de elementos que cambian de nombre a sus formas arcaicas.


11.3.1 Óxidos de un solo estado de oxidación.

Cuando el elemento solo tiene un estado de oxidación reportado en la tabla periódica hay dos opciones para nombrarlo:


11.3.2 Óxidos de elementos con dos estados de oxidación

Al tener dos estados de oxidación se implica que se forman dos óxidos diferentes con propiedades físicas y químicas diferentes, de allí la necesidad de dar nombres diferentes a las dos sustancias. Un ejemplo simple es el óxido férrico que es de color rojo mientras que el óxido ferroso es de color negro.

11.3.3 Óxidos de elementos con tres estados de oxidación


11.3.4 Óxidos de elementos con cuatro estados de oxidación


11.3.5 Óxidos de más de cuatro estados de oxidación

Francamente la nomenclatura tradicional fue propuesta antes de que se empezaran a reportar elementos con más de cuatro estados de oxidación, sin embargo para tales casos se puede emplear un prefijo extra hiper- para la quinta valencia, siendo esta la más alta, aunque claro está el problema es que ya nadie se molesta en describir nuevos nombres tradicionales ya que es una nomenclatura ¡OBSOLETA!


11.4 Nomenclatura Stock


11.5 Nomenclatura IUPAC de los óxidos

La nomenclatura sistemática de composición para los óxidos es un poco extraña, ya que los nombres de distintos óxidos pueden ser diferentes e incluso mezclarse con la nomenclatura stock. Clásicamente la nomenclatura sistemática de los óxidos involucra los prefijos numéricos para indicar la cantidad de átomos. El prefijo mono se emplea para el nombre genérico, pero no para el nombre específico como en monóxido de carbono “CO”. Hay que destacar que el elemento específico es el catión, y en tal caso solo se usan nombres modernos para los elementos.


11.6 Peróxidos

Los peróxidos se forman a partir del dihidruro progenitor del oxígeno, por lo que sistemáticamente deben seguir las reglas de los hidruros no metálicos.

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