domingo, 22 de febrero de 2015

1 INTRODUCCIÓN A LA NOMENCLATURA INORGÁNICA

En esta serie de artículos 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.

1.1 El problema de la sustancia, elementos y compuestos

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.

1.2 Tipos de sustancia a ser nombrados

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.

1.2.1 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.

1.2.2 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. 


1.2.3 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).

1.2.4 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 (Brown, Kramer, Levy, & Midland, 1975; Crickmore, 2016).

1.2.5 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, n.d.). 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.

1.2.6 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).

1.2.7 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.

1.2.8 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).

1.2.9 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).

1.2.10 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).

1.2.11 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).

1.2.12 Sales

Son sustancias fuertemente iónicas formadas por diferentes aniones y cationes. Pueden haber sales binarias, ternarias y amónicas, aunque se pueden dar más tipos (Matamála, & Gonzalez, 1976).

1.2.13 Compuestos de adición

Los compuestos de adición son supramoléculas, o en otras palabras supermoléculas formadas por moléculas mas pequeñas. Un ejemplo típico son los hidratados, en los cuales hay una molécula central rodeada por muchas moléculas de agua (Matamála, & Gonzalez, 1976).

1.3 Nomenclatura de compuestos no estequimétricos

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.

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