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.
La carga de los elementos en una entidad poliatómica
Los elementos que forman parte de entidades poliatómicas,
especialmente en sustancias moleculares, presentan cargas eléctricas llamadas
estados de oxidación, las cuales, no se manifiestan de forma individual,
sino que participan en un balance de carga a nivel de la molécula como
un todo. Los estados de oxidación se representarán en el mismo orden que
los números de carga, es decir, primero el signo y luego el valor.
Cuando se indiquen en la fórmula, se ubicarán de forma vertical sobre el
símbolo atómico. Tenga en cuenta que estos valores son implícitos y,
al escribir la molécula en su forma final, deben omitirse.
Si el balance de carga resulta positivo o negativo,
la entidad corresponde a un ion poliatómico, es decir, una unidad con
exceso o déficit de electrones que genera un desequilibrio de carga. En
cambio, si el balance es cero, la entidad poliatómica corresponde a una molécula
neutra.
Las cargas reales o iónicas, es decir, aquellas
obtenidas a partir del cálculo de conservación de la carga, se escriben
obligatoriamente como superíndice a la derecha del símbolo del ion
considerado como un todo. El símbolo iónico se expresa en orden inverso al
algebraico: primero el valor y luego el signo, exceptuando el
caso de cargas unitarias, donde se omite el número.
Debe tenerse en cuenta que la carga iónica afecta al
ion en su conjunto, no a un elemento particular. Así, por ejemplo, en 
, las dos cargas negativas
están deslocalizadas sobre toda la entidad, y no exclusivamente sobre un
oxígeno particular. Esto se debe a que los electrones en exceso participan en estructuras
resonantes, distribuyéndose entre los distintos enlaces, por lo que no
puede asignarse la carga a un átomo específico.
Ley de la conservación de la carga
La ley de conservación de la carga,
que se define como: la carga eléctrica total de un sistema aislado
permanece constante en el tiempo; no se crea ni se destruye, solo se transfiere
entre cuerpos.
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[Ley
de la conservación de la carga] Definida
para la carga relativa. Factor marcado
Álgebra simbólica
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En cierta forma, esta ley puede interpretarse como una
consecuencia de principios más generales de conservación
y simetría. La teoría de la electrodinámica
clásica, consolidada por las ecuaciones de James Clerk Maxwell
(1861–1865), junto con experimentos como los de Michael Faraday, sostiene que
la cantidad de protones y electrones
en el universo tiende a compensarse globalmente. Por ello, la suma de cargas
ponderada al número de entidades es, en conjunto, cero.
Sin embargo, en sistemas más pequeños que el universo, las
cargas no necesariamente se conservan de manera local, ya que pueden entrar
o salir del sistema durante procesos de interacción
o transformación. No obstante, en sistemas cerrados,
donde no hay intercambio con el entorno, la carga total debe conservarse,
manteniendo una suma constante, típicamente cero en
sistemas eléctricamente neutros.
Teniendo en cuenta lo anterior, y dado que nos enfocaremos
en la interpretación química, enunciaremos las leyes de
la carga únicamente en términos del parámetro de carga
relativa adimensional.
Carga relativa de una entidad poliatómica no equilibrada
Aunque la carga total del universo
permanece constante, la carga de sistemas más pequeños
no necesariamente lo es, ya que puede intercambiarse con el entorno. Aunque
muchas moléculas son neutras, existen entidades
poliatómicas —es decir, unidades formadas por varios átomos—
que no necesariamente presentan carga neta cero.
En este apartado se planteará la conservación
de la carga para una entidad compuesta poliatómica, ya sea una molécula
poliatómica (cuya suma de cargas es cero) o un ión
poliatómico (cuya suma de cargas es distinta de cero).
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[Carga
molar de una entidad poliatómica] (1) Carga de una molécula o ion
poliatómico Factor marcado
Álgebra simbólica
|
Miremos
un ejemplo
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Ejemplo 1. Calcule la carga total de las siguientes entidades
poliatómicas, indicando en cada caso si se trata de un ión o de
una molécula neutra: (a)
2 átomos de H(+1) y 1 átomo de azufre (+2). (b)
2 átomos de H(+1), 1 átomo de carbono (+4) y 3 átomos de oxígeno (−2). (c)
1 átomo de cloro (+5) y 3 átomos de oxígeno (−2). Etapa analítica. Para
(a) usaremos [Carga
molar de una entidad poliatómica] Etapa numérica por factor marcado. (a)
2 átomos de H(+1) y 1 átomo de azufre (+2).
(b)
2 átomos de H(+1), 1 átomo de carbono (+4) y 3 átomos de oxígeno (−2).
(c)
1 átomo de cloro (+5) y 3 átomos de oxígeno (−2).
Las sustancias H2S y H2CO3
son moléculas mientras que ClO3- es un ion. Etapa numérica por álgebra simbólica. (a)
2 átomos de H(+1) y 1 átomo de azufre (+2).
(b)
2 átomos de H(+1), 1 átomo de carbono (+4) y 3 átomos de oxígeno (−2).
(c)
1 átomo de cloro (+5) y 3 átomos de oxígeno (−2).
Las sustancias H2S y H2CO3
son moléculas mientras que ClO3- es un ion. |
Carga relativa de un elemento en una entidad poliatómica
Las cargas relativas en las
sustancias siguen, en muchos casos, patrones fijos.
En elementos como el flúor, los metales
alcalinos, los alcalinotérreos y el oxígeno
(bajo la mayoría de las condiciones), los valores son predecibles,
como se analizará con mayor detalle al estudiar las sustancias. Sin embargo,
otros elementos presentan valores variables, difíciles de
memorizar.
Por ello, resulta conveniente poder calcular
estos valores. Si se conocen las cargas de todos los elementos excepto uno
—generalmente el átomo central— y se dispone de
la fórmula molecular, es posible determinar su valor
utilizando el siguiente teorema.
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[Carga
molar de una entidad poliatómica] (2) Carga de un elemento en una
molécula o ion poliatómico Factor marcado
Álgebra simbólica
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Miremos
un ejemplo
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Ejemplo 2. Una sustancia molecular está compuesta por tres átomos de hidrógeno,
uno de fósforo y cuatro de oxígeno. Sabiendo que los estados de
oxidación del hidrógeno y del oxígeno son, respectivamente, +1 y −2,
determine el estado de oxidación del fósforo. Etapa analítica. Usaremos
[Carga
molar de una entidad poliatómica]. Dado que se dice que la sustancia es
molecular, asumiremos que el número de carga total es cero. Etapa numérica por factor marcado.
El estado de oxidación del fósforo es de +5. Etapa numérica por álgebra simbólica.
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Tipos de iones
Los gases nobles,
los metales y los elementos en forma alotrópica elemental se
encuentran en estado de oxidación cero y, por ende, sus cargas totales
son nulas. Esto implica que las sustancias elementales no
presentan cargas eléctricas apreciables. Sin embargo, si existe un desequilibrio
de carga, el exceso o defecto se manifestará en el sistema, haciendo que la
partícula se convierta en un ión. Los iones pueden ser monoatómicos
o poliatómicos, y la diferencia de carga se origina por el aumento o
disminución del número de electrones del sistema.
Cationes: son
aquellos iones que han perdido uno o más electrones por debajo de su
nivel básico de equilibrio y, por ende, asumen cargas relativas de sentido positivo.
Aniones: son
aquellos iones que han ganado uno o más electrones por encima de su
nivel básico de equilibrio y, por ende, asumen cargas relativas de sentido negativo.
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 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: son 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: 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.
Referencias
Brown, T.
L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., &
Stoltzfus, M. W. (2015). Chemistry the Central Science.
Brown, T.
L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., Stoltzfus, M.
W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry, the central science (15th
ed.). Pearson.
Chang, R.
(2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill New York.
Chang, R.,
& Overby, J. (2021). Chemistry (14th ed.). McGraw-Hill.
García
García, J. L. (2025). Dimensional Analysis in Chemistry Textbooks 1900-2020 and
an Algebraic Alternative. Educación química, 36(1),
82-108.
Seager, S.
L., Slabaugh, M. M., & Hansen, M. M. (2022). Chemistry for Today (10th
ed.). Cengage Learning.
Zumdahl, S.
S., Zumdahl, S. A., DeCoste, D. J., & Adams, G. (2018). Chemistry (10th
ed.). Cengage Learning.
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