Formulación inorgánica y nomenclatura

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Por formulación inorgánica entenderemos el conjunto de técnicas empleadas para la predicción de fórmulas moleculares, tomando como base principal la teoría de los iones y la ley de conservación de la carga, específicamente la [Carga molar de una entidad poliatómica].

Regla de aspa

La principal diferencia entre las fórmulas orgánicas e inorgánicas es que estas últimas, en general, no presentan isomería de constitución (compuestos con la misma fórmula empírica pero distinta fórmula molecular o disposición estructural). Dado que, en los compuestos iónicos o polares, por lo general, una misma fórmula empírica coincide con la fórmula molecular, es posible predecir la proporción de subíndices como igual al número real de estos al reducirlos al entero más sencillo.

Este cálculo se obtiene mediante la regla de aspa, la cual establece que la proporción de subíndices anión–catión es igual al inverso de sus cargas relativas (o cargas molares) correspondientes. Aunque la regla de aspa se formaliza de la siguiente forma.

[Teorema de la regla de aspa] (1) Definición de la carga molar Factor marcado Álgebra simbólica Términos \(si(ani/cat)\) ratio de subíndices del anión sobre el catión (adimensional). \(z(cat/ani)\) ratio de valores absolutos cargas relativas catión sobre el anión (adimensional). Nota, por factor marcado se necesita usar cargas molares en unidades de cargas elementales para que la dimensionalidad funcione.

Normalmente la usaremos de forma intuitiva en su forma algebraica, la cual justifica no usar ninguna unidad y ningún sentido, los términos de carga se usan sin signo.

Figura 1. [Regla de aspa] El nitruro de magnesio (Mg₃N₂) ilustra la regla de aspa, donde los cationes Mg²⁺ y aniones N³⁻ cruzan sus cargas en valor absoluto para determinar los subíndices de la fórmula empírica, asegurando la neutralidad eléctrica del compuesto. Alternar entre el lenguaje químico, los factores de conversión y el lenguaje algebraico desarrolla intuición química y rapidez en la formulación de compuestos iónicos.

La aplicación práctica de esta técnica requiere siempre disponer de una [Tablas de los iones] confiable, que identifique de manera precisa las cargas de cationes y aniones involucrados. La regla de aspa se aplica principalmente a compuestos binarios, o a sistemas que se comportan como tales. Por ejemplo, en aniones complejos como SO₄²⁻, este puede tratarse como una sola entidad con carga 2−, es decir, como una partícula única en el balance de cargas.

Adicionalmente, esta técnica también puede extenderse a compuestos moleculares polares, donde se manifiestan números de oxidación debido a diferencias de electronegatividad, como ocurre en el agua.

Ejemplo 1.  Prediga la formula molecular al combinar los siguientes iones. Usaremos el [Teorema de la regla de aspa] pero de forma intuitiva, recuerda que el teorema exige resolver el cociente y luego expresar al entero mas cercano. Para aquellos donde no se simplifica, la regla de aspa es inmediata. Cuando tenemos una ratio de valores iguales, debemos resolver mentalmente. Expondré explícitamente para la combinación de oxígeno y calcio: Siempre que pueda simplificarse la fracción, esta debe resolverse.

No todas las sustancias que pueden formularse existen realmente. En el ejemplo anterior, la molécula (NH₄)₂O, aunque cumple con las reglas de aspa y de combinación de cargas, resulta altamente inestable en sistemas reales. Por ello, es importante tener en cuenta que muchas sustancias que pueden proponerse mediante formulación no necesariamente tienen una contraparte estable en la realidad química.

Algunos estados de oxidación son más frecuentes que otros; por ello, resulta conveniente considerar la siguiente tabla de referencia.

Nomenclatura de moléculas formuladas por regla de aspa

La nomenclatura de muchas sustancias inorgánicas se deriva de la regla de aspa. Para las sustancias iónicas, se emplean las reglas de la nomenclatura Stock, que establecen el siguiente formato: nombre del anión seguido de nombre del catión, indicando entre paréntesis el número de oxidación o la carga del anión en números romanos.

Para las sustancias moleculares formuladas mediante la regla de aspa, se utiliza la nomenclatura sistemática de composición, que aplica prefijos de repetición: prefijoanion seguido de prefijocatión. En cuanto al prefijo “mono” para un anión (como en monóxido), mientras que los cationes no llevan indicador mono de uno y se cuentan a partir de dos repeticiones; posteriormente se usan prefijos como di, tri, tetra, penta, hexa, hepta, octa, nona, deca, undeca, dodeca, trideca y así sucesivamente.

Ejemplo 2.  Prediga la formula molecular al combinar los siguientes iones, y sus nombres (a) Cl⁻ + Fe³⁺ (b) O²⁻ + Cu²⁺  (c) S²⁻ + Pb²⁺ (d) C²⁺ + O²⁻ (d) N³⁺  + O²⁻ . Usaremos el [Teorema de la regla de aspa] pero de forma intuitiva, recuerda que el teorema exige resolver el cociente y luego expresar al entero más cercano. Cl⁻ + Fe³⁺ → FeCl₃: Dado que es una combinación metal y no metal, concluimos que debe ser un compuesto iónico, por lo que usaremos el Nombre Stock: cloruro de hierro (III). (El catión hierro tiene número de oxidación +3, indicado en romano). O²⁻ + Cu²⁺ → CuO: Dado que es una combinación metal y no metal, concluimos que debe ser un compuesto iónico, por lo que usaremos el Nombre Stock: óxido de cobre (II). (El catión cobre tiene número de oxidación +2). S²⁻ + Pb²⁺ → PbS: Dado que es una combinación metal y no metal, concluimos que debe ser un compuesto iónico, por lo que usaremos el Nombre Stock: sulfuro de plomo (II) (El catión plomo tiene número de oxidación +2). C²⁺ + O²⁻ → CO: Dado que es una combinación de dos no metales, concluimos que debe ser un compuesto molecular, por lo que usaremos el Nombre de composición: monóxido de carbono (El catión carbono no lleva el prefijo mono, solo los aniones llevan el prefijo mono). N³⁺  + O²⁻ → N2O3: Dado que es una combinación de dos no metales, concluimos que debe ser un compuesto molecular, por lo que usaremos el Nombre de composición: trióxido de dinitrógeno (El catión carbono no lleva el prefijo mono, solo los aniones llevan el prefijo mono).

Nomenclatura tradicional para los ácidos

La principal excepción para este sistema de nombres basado en iones son los ácidos oxoácidos, así como los haluros y anfuros disueltos en agua, que también reciben el nombre de ácidos, específicamente hidrácidos.

En el caso de los ácidos derivados de oxoaniones, se utiliza la palabra ácido seguida del nombre del ion, aplicando las terminaciones -ico o -oso según corresponda, para reflejar la variación en el número de oxígenos presentes en la molécula, tenga en cuenta que es indispensable tener en cuenta las [Tablas de los iones]. Por ejemplo, si se quita un oxígeno del oxoanión original con terminación -ato, el nombre cambia a -oso; si se eliminan dos oxígenos, se forma la variante hipo-elemento-oso; y si se añade un oxígeno, se usa la terminación -ico, siguiendo la regla sistemática de modificación de nombres basada en la composición del ion.

Ejemplo 3.  Prediga la formula y nombre de los ácidos oxoácidos del cloro. En la [Tablas de los iones] buscamos el oxianión base del cloro → ClO3⁻ llamado clórico/clorato. Como estamos formulando ácidos el nombre es clórico, y el primer ácido sería: HClO3 ácido clórico. Si le quitas un oxígeno HClO2 ácido cloroso. Si le quitas un oxígeno HClO ácido hipocloroso. Pero si le agregas un oxígeno más a la formula base. HClO4 ácido perclórico. Ten en cuenta que cada una de estas sustancias se asocia a un estado de oxidación del cloro +1, +3, +5, +7.

Miremos otro ejemplo.

Ejemplo 4.  Prediga la formula y nombre de los ácidos oxoácidos del azufre. En la [Tablas de los iones] buscamos el oxianión base del azufre → SO4²⁻ llamado sulfúrico/sulfato. Como estamos formulando ácidos el nombre es sulfúrico, y el primer ácido sería: H2SO4 ácido sulfúrico. Si le quitas un oxígeno H2SO3 ácido sulfuroso. Si le quitas un oxígeno H2SO2 ácido hiposulfuroso. Si calculas el estado del azufre usando [Carga molar de una entidad poliatómica] los tres ácidos anteriores corresponden a los estados de oxidación +2, +4 y +6 del azufre, como el azufre no tiene el estado +8 no existiría el ácido persulfúrico.

Para los haluros y anfuros disueltos en agua, el nombre del ácido se forma usando la palabra ácido seguida del nombre antiguo del elemento con la terminación -hídrico, reflejando su comportamiento como ácidos simples.

Ejemplo 5.  Indique el nombre tradicional para: HF, HCl, H₂S, H₂Se. HF – ácido fluorhídrico (ácido simple del fluor, liberador de H⁺ en solución) HCl – ácido clorhídrico (ácido simple del cloro) H₂S – ácido sulfhídrico (ácido simple del azufre) H₂Se – ácido selenhídrico (ácido simple del selenio)

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.

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Matamala, M., & González Tejerina, P. (1975). Química (1a ed.). Ediciones Cultural.

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.