Teoría de los iones

[Carga y lenguaje químico] Sección 3. Conceptos clave [Teoría de los iones] [Tabla de determinación de estados de oxidación] Otros conceptos [Electricidad y teoría atómica]

La teoría de los iones establece que ciertos átomos o moléculas pueden poseer una carga eléctrica neta, es decir, no ser eléctricamente neutros. Esta carga, ya sea positiva o negativa, corresponde a un múltiplo de la carga elemental. La razón de este desequilibrio eléctrico se debe a la pérdida o ganancia de electrones, partículas subatómicas descubiertas por J. J. Thomson en 1897 mediante su famoso experimento con tubos de rayos catódicos. Cuando un átomo pierde uno o más electrones, se convierte en un catión (ion positivo), y cuando los gana, en un anión (ion negativo). Esta teoría es fundamental para comprender fenómenos químicos, físicos y biológicos en los que intervienen interacciones electrostáticas.

Carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad física fundamental de la materia que determina cómo las partículas interactúan mediante fuerzas electromagnéticas. Se mide en coulombs (C), y un coulomb se define como la cantidad de carga transportada por una corriente de 1 amperio durante 1 segundo (1 C = 1 A x 1 s). La carga elemental, representada por e, es la unidad mínima indivisible de carga, correspondiente a la carga de un protón (+) o un electrón (−), y su valor exacto es e = 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ C. Esta constante permite cuantificar la carga de cualquier partícula como múltiplo entero de e y es la base de la definición de la constante de Faraday, que relaciona carga con cantidad de sustancia.

Toda la materia existente contiene protones y electrones en igual cantidad, lo que nos lleva a la ley de conservación de la carga: la suma neta de cargas en el universo es cero. Esta conservación también se aplica a las transferencias de carga dentro de un sistema: la carga ganada por un punto debe ser igual a la cargada perdida en otro.

Sin embargo, la movilidad química de las partículas no es uniforme. Los protones se encuentran fuertemente ligados en la materia, mientras que en la práctica los electrones son los que se mueven. Por ello, hablar de transferencia de carga eléctrica equivale, en esencia, a hablar de transferencia de electrones o de sus cargas equivalentes.

Es importante notar que, aunque los electrones individuales no se desplazan rápidamente a lo largo de un conductor, pueden propulsar su equivalente de carga eléctrica a velocidades muy altas en un circuito, lo que da la impresión de un transporte casi instantáneo de carga entre dos puntos. Sin embargo, esto no significa que los electrones viajen instantáneamente; de hecho, la velocidad real de los electrones es relativamente baja.

Si inicialmente la carga neta de un sistema o del universo es cero, al generar un desequilibrio, como ocurre durante la oxidación de un metal —por ejemplo, el calcio— se produce un flujo de cargas eléctricas. En este proceso, los electrones se transfieren de los átomos de calcio hacia otra especie química, creando un desequilibrio local de cargas mientras se conserva la carga total del sistema.

La cantidad de carga que fluye se relaciona directamente con la cantidad de sustancia que reacciona. Por ejemplo, la oxidación de 1 mol de calcio (Ca → Ca²⁺ + 2 e⁻) produce 2 moles de electrones, lo que equivale a el doble de la constante de Faraday, es decir, aproximadamente 2 × 96 485 C ≈ 192 970 C. Esto demuestra que, aunque los coulombs miden la carga absoluta, existe una cantidad estándar de carga asociada a cada sustancia química, proporcional a la cantidad de electrones transferidos por mol.

En otras palabras, cada reacción química tiene su “carga equivalente” predeterminada, lo que permite calcular la corriente y la energía eléctrica que puede producir un proceso de oxidación o reducción. Esto es la base de la electroquímica cuantitativa, donde los culombios por mol se convierten en una medida fundamental para relacionar reactividad química con flujo de electrones.

Símbolos de los parámetros

En esta propuesta adoptaremos una notación de símbolos por analogía con la masa. La masa absoluta se denota como m, mientras que la masa molar o relativa se denota como M. De manera análoga, utilizaremos q para la carga absoluta en coulombs, y Q para la carga relativa, es decir, la carga por mol de partículas en C/mol.

Cabe destacar que el coulomb no es la única unidad de carga, así como el gramo no es la única unidad de masa. Al igual que la unidad de masa química se define como la doceava parte del carbono‑12, en este curso asumiremos que la unidad de carga química será el equivalente. Su valor corresponde exactamente al valor absoluto de la constante de Faraday, es decir: 1 eq = 1 F = 96 485 C

De esta manera, cada sustancia química tendrá asociada una cantidad estándar de carga por mol de electrones transferidos, permitiendo calcular de forma directa la carga relativa en los procesos electroquímicos, igual que usamos la masa relativa para comparar cantidades de materia.

Ahora, el problema es que la carga tiene una propiedad adicional a la masa: la direccionalidad. Para representarla, usaremos, por analogía con los vectores en física, la notación . Aunque no es el estándar químico, nos ayuda a distinguir la dirección de la carga. Cuando el parámetro de carga, absoluto o relativo lleva la flecha de dirección, asumiremos que su valor incluye un signo asociado. Por el contrario, cuando no se use la flecha, estaremos tratando con el valor absoluto de la carga, sin importar su orientación o signo.

De esta manera definiremos el valor absoluto de la carga absoluta \(q =|\overset{⇀}{q}|\) medida en culombios, y el valor absoluto de la carga relativa como \(Q =|\overset{⇀}{Q}|\) medida ya sea en culombios sobre mol o en equivalentes sobre mol, usando a la constante de Faraday como factor de conversión.

[1] Ley de la conservación de la carga. Para ver la descripción de los términos de esta fórmula pulse en este enlace.

[2] Axioma de carga molar. Para ver la descripción de los términos de esta fórmula pulse en este enlace.

[3] Axioma de carga molar. Para ver la descripción de los términos de esta fórmula pulse en este enlace.

De aquí en adelante, las cargas en la teoría química y en la teoría de los iones se referirán a las cargas molares. Estas pueden expresarse en equivalentes por mol (eq/mol) o en términos de la carga elemental (e), aunque a menudo se presentan en notación adimensional. Esto es similar a cómo los pesos atómicos en las tablas periódicas se muestran sin unidades; el lector debe reconocer implícitamente que se refieren a unidades de masa atómica. De la misma manera, las cargas se refieren a la carga elemental o a sus derivados.

Como veremos en los ejercicios, al aplicar el teorema de la carga molar a moléculas neutras se obtienen valores de carga total iguales a cero. No obstante, existe un parámetro que no resulta nulo y que es de gran importancia en electroquímica: el equivalente. Este debe entenderse como la cantidad de carga eléctrica a la que equivale una molécula neutra capaz de ionizarse. Por ello, resulta esencial distinguir entre el equivalente como unidad de carga, que corresponde a un número de Faraday (9.649 x 10⁴) expresado en culombios, y el equivalente asociado a un ion específico, cuyo valor depende de su número de oxidación y de su capacidad para participar en una reacción redox o ácido-base.

[4] Carga equivalente para una reacción de ionización. Los parámetros de la fórmula se describen en este enlace.

Carga virtual vs carga real

La teoría de los iones distingue entre dos tipos de carga: la real y la virtual. En el caso de la carga real, los iones están constituidos físicamente, es decir, presentan un desequilibrio de electrones que los hace susceptibles a la acción de campos eléctricos y magnéticos. Para representarlos, se indica la carga a la derecha del símbolo químico en el orden valor seguido de polaridad. Por ejemplo, el ion calcio se escribe Ca²⁺ y el ion sulfato, SO₄²⁻.

Figura 1. El ion hidróxido (OH⁻) posee una carga neta negativa distribuida en todo el sistema, no solo en un átomo. Su comportamiento cohesionado explica su papel en disoluciones y en las reacciones ácido-base, donde actúa como base al aceptar protones. Además, interviene en procesos de hidrólisis, catálisis y regulación del pH, siendo esencial en química y biología.

En cambio, las cargas virtuales surgen cuando varios átomos se agrupan de manera que sus cargas internas se neutralizan mutuamente, dando lugar a una molécula eléctricamente neutra, como el agua. Aunque estas moléculas no responden a campos externos, mantienen interacciones electrostáticas internas que explican su estructura y polaridad. En estos casos, las cargas se indican con el orden polaridad seguida del valor, como en el hidrógeno (+1) y el oxígeno (−2) del H₂O.

Iones monoatómicos.

Los iones monoatómicos son aquellos que están formados por un solo átomo con carga neta, ya sea positiva o negativa. En estos casos, el estado de oxidación (o carga virtual) coincide exactamente con la carga real del ion, lo que los convierte en los más sencillos de entender y analizar dentro de la teoría iónica. Sin embargo, esta regla no debe aplicarse a iones poliatómicos o moléculas cargadas, donde los estados de oxidación se distribuyen entre varios átomos y la carga neta se reparte de forma más compleja. Ejemplos de iones monoatómicos son el Na⁺, común en sales y soluciones fisiológicas, o el Cl⁻, utilizado en reacciones ácido-base y en procesos de electrólisis industrial.

Iones poliatómicos monoelementales

Los iones poliatómicos monoelementales se definen como agregados de dos o más átomos del mismo elemento químico que en conjunto poseen una carga neta, positiva o negativa. Aunque están compuestos por un solo tipo de átomo, su estructura interna permite una distribución desigual de electrones, lo que da lugar a una carga total. Los más comunes son los iones diatómicos, como el ion dimercurio (Hg₂²⁺), utilizado en química inorgánica, y el ion peróxido (O₂²⁻), común en productos de limpieza y procesos biológicos. En estos casos, la carga de cada átomo no coincide individualmente con la carga del ion completo, ya que se distribuye parcialmente entre los átomos. Estos iones son esenciales en redox, catálisis y síntesis industrial.

Iones poliatómicos polielementales

Los iones poliatómicos polielementales están formados por dos o más átomos de distintos elementos químicos que actúan como una unidad cargada. A diferencia de los monoatómicos o monoelementales, estos iones presentan una estructura interna compleja, en la que la distribución de la carga eléctrica se relaciona con los estados de oxidación individuales de cada elemento. Un ejemplo clásico es el ion sulfato (SO₄²⁻), donde el azufre tiene un estado de oxidación de +6 y cada oxígeno −2, resultando en una carga neta de −2. Otro ejemplo es el ion nitrato (NO₃⁻), ampliamente utilizado en fertilizantes y explosivos. Estos iones son fundamentales en reacciones ácido-base, equilibrio químico, biología molecular y en la industria química moderna.

Calculando las cargas de elementos variables

Como se vio en la sección anterior, la carga neta de una entidad poliatómica, ya sea molecular (neutra) o iónica (cargada), depende directamente de los números de carga individuales de cada elemento que la componen. El problema surge porque la mayoría de los elementos pueden presentar más de un número de carga, dependiendo del compuesto o sustancia específica en la que se encuentren, mientras que unos pocos elementos poseen números de carga más constantes y predecibles. Estos valores posibles están sistematizados en la tabla periódica bajo la propiedad conocida como estado de oxidación o también llamado número de oxidación, que resume la variedad de comportamientos electrónicos que un elemento puede exhibir en distintas combinaciones químicas.

Figura 2. El nitrógeno presenta múltiples estados de oxidación: −3, 0, +2, +3, +4 y +5. Esta versatilidad le permite formar compuestos como NH₃, N₂, NO, HNO₂, NO₂ y HNO₃. Leer correctamente estos valores es fundamental para aplicar la ley de conservación de la carga y comprender su papel en procesos biológicos, industriales y ambientales.

Los estados de oxidación que aparecen en la tabla periódica presentan dos problemas principales. El primero es que no se incluye el estado cero de oxidación, aunque todos los elementos tienen un estado cero en alguna sustancia. Este estado cero es considerado irrelevante en la tabla, pero su ausencia puede llevar a malentendidos, ya que muchos metales puros, como el hierro (Fe) o el oro (Au), tienen un estado cero de oxidación en su forma elemental, aunque no se refleje explícitamente en la tabla. El segundo problema es que algunos elementos no presentan todos sus posibles estados de oxidación. Por ejemplo, el oxígeno tiene el estado de oxidación −1 en los peróxidos, 0 en el dioxígeno (O₂) y +2 en compuestos con flúor, pero estos estados no siempre son evidentes en la tabla periódica.

La estructura de los estados de oxidación en la tabla periódica es un resumen codificado diseñado para simplificar la interpretación de los comportamientos electrónicos de los elementos. Por ejemplo, la expresión ± se utiliza para indicar que el número de carga puede ser positivo o negativo, pero solo afecta al número inmediatamente a la derecha. En ausencia de esa indicación, se asume que el número de carga es positivo a priori. Además, todos los elementos tienen un estado de oxidación cero en su forma elemental. Por ejemplo, para el cloro (Cl), que tiene los estados de oxidación ±1, 3, 5, 7, los estados que debemos leer son −1, 0, +1, +3, +5, +7. Es importante recordar que existen estados de oxidación menos comunes, como el +4 en el dióxido de cloro (ClO₂), que no aparece como habitual en la tabla periódica. Por lo tanto, es necesario tener flexibilidad al interpretar los estados de oxidación, ya que pueden presentarse sorpresas según el contexto o el compuesto específico.

[4] Teorema de la carga o estado de oxidación de un elemento x en una serie de elementos k de cargas reconocidas. Para ver la descripción de los términos de esta fórmula pulse en este enlace.

Esta flexibilidad es fundamental para un entendimiento completo de la química de los elementos, ya que algunos estados de oxidación que no son comunes en la tabla periódica pueden surgir en condiciones específicas, como en compuestos menos frecuentes o en reacciones que implican elementos con estados de oxidación inusuales. Por ejemplo, el oxígeno puede presentar un estado de oxidación de +2 en compuestos con flúor, aunque su estado más frecuente es −2. Además, ciertos elementos de transición y actínidos pueden exhibir múltiples estados de oxidación, lo que aumenta la complejidad de las interacciones y reacciones químicas en las que están involucrados.

[Ejercicios resueltos de estados de oxidación y conservación de la carga]

Referencias.

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