Debido a
que los átomos están sometidos a la ley de la conservación de la carga, eso
implica que su carga relativa total es igual a la suma de cargas relativas de
las partículas que los componen:
La
carga de un átomo neutro y de un ion monoatómico
Pero a
diferencia de una molécula, que puede estar compuesta por cualquiera de los 118
elementos de la tabla periódica, un átomo sólo va a estar compuesto por 3
partículas subatómicas principales, los protones (p+), los
electrones (e-), y los neutrones (n0), por ende, podemos
desplegar la ley de la conservación de la carga del siguiente modo.
Ignoramos
los 2 términos relacionados a los neutrones porque su carga es cero. Para
resolver ejercicios con esta ley tenga en cuenta que:
👉 La carga relativa del protón es +1, mientras que la del electrón es -1
👉 La carga de un elemento neutro, es igual a 0.
👉 La carga de un ion de un solo elemento tiene valores variables.
👉 Los elementos inmersos en moléculas poliatómicas de diferentes elementos
poseen cargas virtuales llamadas estados de oxidación, cuyos valores son
semejantes a las cargas relativas de un ion monoatómico.
👉
Enunciado: ¿Cuál
es la carga de un ion o elemento que tiene 6 protones y 7 electrones?
👉
Enunciado: Si un ion tiene carga +3 y 10 electrones ¿Cuál es el número de
protones que posee?
Carga real contra la carga virtual
La carga de
un elemento puede ser real o virtual.
Si un
elemento está cargado realmente entonces estamos hablando de un ion, y por lo
tanto dicha carga se modela con la variable de carga relativa (zI).
La carga real es una carga que realmente influye y es medible en un sistema, y
ocurre en sustancias que generan iones monoatómicos como los iones de hierro(+3)
(Fe → Fe3+ + 3e-), sodio(+1) (Na → Na+ + e-),
o calcio(2+) (Ca → Ca2+ + 2e-). En estos casos los iones
son entidades reales que se encuentran en mezclas con agua.
La carga
virtual es una carga que no influye realmente y no es medible directamente,
pero se encuentra allí para poder explicar que una molécula completa es neutra.
Como el sistema completo es neutro no puede medirse. por ejemplo, en el sólido
iónico cloruro de sodio (NaCl) el sodio se encontrará en su estado de oxidación
+1, y el cloro se encontrará en su estado de oxidación -1, pero la carga total
de la molécula será cero. Cuando estamos hablando de cargas virtuales no
podemos emplear el número de carga relativa, sino que emplearemos otra magnitud
relacionada que el libro de oro de la IUPAC aconseja como estado de oxidación (OSI).
A pesar de
lo anterior, en ese curso de química general emplearemos únicamente el símbolo
de cargas relativas, para manejar el menor número de ecuaciones posible.
Los
conceptos de número de carga relativa y estado de oxidación son muy semejantes,
y en la práctica, a ambos los podemos extraer de la tabla periódica, bajo el
concepto de estado de oxidación. Sin embargo, un estado de oxidación es un
concepto que está vinculado al elemento, mientras que un número de carga puede
extenderse también a partículas y a moléculas.
En
cualquier caso, tanto el número de carga relativo, como el estado de oxidación
van a representar el número de electrones que se han ganado, se han perdido, o
se encuentran en estado fundamental de un elemento particular.
El número
de electrones que puede ganar o perder un determinado elemento no es un valor
arbitrario, un determinado elemento puede ganar o perder una cantidad fija de
electrones dependiendo de las condiciones de la reacción. Aunque no podemos
reducirlo a un solo valor constante, la cantidad de electrones que se gana o se
pierde si son lo suficientemente pequeños como para caber en la tabla periódica
bajo el nombre de los números de oxidación o estados de oxidación.
Tenga en
cuenta que el estado de oxidación va a representar la cantidad de electrones y
por ende la carga relativa del átomo ionizado más común, pero existirán
situaciones raras en las cuales algún elemento asuma números de oxidación no
estándar que no se encuentran reportados en la tabla periódica.
Por ejemplo,
el cloro va a tener valores reportados como ±1, 3, 5, 7., los cuales deberemos
leer como los posibles Estados de oxidación -1, 0, +1, +3, +5, +7., lo cual a
su vez implica que el átomo de cloro puede ganar un electrón (z = -1), encontrarse
en estado fundamental o neutro (z = 0), o perder un electrón (z = 1), tres
electrones (z = 3), cinco electrones (z = 5), o siete electrones (z = 7).
El estado
de oxidación más común de lejos es el estado fundamental o estado neutral, es
decir la carga cero para los elementos. sin embargo, también es el estado de
oxidación que más comúnmente omite la tabla periódica. es por eso que es muy
importante que usted tenga en cuenta que todos los elementos de la tabla
periódica para los cuales se ha reportado estado oxidación también tienen el
estado de oxidación cero cuando están formando su elemento puro, por ejemplo,
el hidrógeno molecular (H2), el hierro metálico (Fe), o el
octaazufre (S8), todos se encuentran en estado de oxidación cero. también
los carbonos en moléculas orgánicas como la glucosa (C6H12O6)
también se encuentra en estado de oxidación cero, aunque se encuentre enlazado
a otros elementos diferentes.
Algunos de
los casos más importantes en que la tabla periódica no reporta estado de
oxidación que pueden llegar a ser comunes son el oxígeno, el hidrógeno, y el
propio cloro.
La tabla
periódica únicamente reporta el estado de oxidación del oxígeno como -2, sin embargo,
si el oxígeno forma una sustancia con el flúor, a su mirada estado de oxidación
2, lo cual implica que cada oxigeno perderá 2 electrones frente al flúor.
Cuando el
hidrógeno forma moléculas con metales menos electronegativos que él, va a robar
electrones y por lo tanto asumirá un estado de oxidación de -1.
Finalmente,
una de las moléculas más famosas que ha surgido en el contexto de las noticias
falsas sobre la pandemia de COVID-19 ha sido el dióxido de cloro, y en esa
molécula el cloro asume un estado de oxidación de +4.
La expresión anterior es de hecho el fundamento por el cual
inferimos los subíndices al formular moléculas basadas en los números de
oxidación, y el conocimiento de que la carga total de una molécula es cero, sin
embargo, en este contexto lo que nos interesa es desarrollar la habilidad de
inferir los estados de oxidación de elementos que no son fácilmente
memorizables, pero antes de eso ¿Cuáles son los estados de oxidación fácilmente
memorizables?
Existen números de carga de elementos que se memorizan
fácilmente y otros que deben calcularse:
- Neutro cuando forma el hidrógeno molecular H2,
esto es cierto para todos los elementos que forman gases diferentes de los
nobles.
- Uno positivo, cuando forma moléculas con elementos más electronegativos
que él, que son en su mayoría no metales como el cloro o el oxígeno.
- Uno negativo, cuando forma moléculas con elementos menos
electronegativos que él, en su mayoría metales.
- Neutro cuando forma oxígeno molecular.
- Uno negativo, cuando forma peróxidos “raro”.
- Dos negativo, cuando forma moléculas con cualquier
elemento diferente de sí mismo o del flúor.
- Dos positivo, cuando forma el difluoruro de oxígeno.
- Neutro cuando forman su molécula diatómica pura.
- Menos uno cuando forman sales binarias con metales.
- En sales ternarias u óxidos debemos inferir usando la
conservación de la carga, excepto el flúor que siempre será menos uno a menos
que forme su gas diatómico.
Sus reglas son semejantes a las del oxígeno, pero serán de
dos negativo en sales binarias con metales.
Cero en sus formas puras. Los metales alcalinos o del grupo
1 tendrán estados de uno positivo, los alcalinotérreos o del grupo dos tendrán
estados dos positivo, otros elementos deberán inferirse con la ley de la
conservación de la carga.
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