Introducción a la química

Términos

• CatiónUn ion con carga positiva, a diferencia de un anión.
• ionizaciónCualquier proceso que conduzca a la disociación de un átomo o molécula neutra en partículas cargadas (iones).
• aniónUn ion cargado negativamente, en contraposición a un catión

Los cationes y aniones se forman a partir de átomos neutros

Todo átomo en su estado básico no tiene carga. Tiene, según su número atómico, el mismo número de protones y electrones. Sin embargo, los electrones son bastante lábiles y un átomo suele ganar o perderlos en función de su electronegatividad. La fuerza motriz de esta ganancia o pérdida de electrones es el estado energéticamente óptimo de tener una capa de valencia (la más externa) llena de electrones. En este estado, el átomo cargado resultante tiene la configuración electrónica de un gas noble.

La adición de un electrón romperá el equilibrio protón-electrón y dejará el átomo cargado negativamente. La eliminación de un electrón, por el contrario, dejará el átomo cargado positivamente. Estos átomos cargados se conocen como iones.

Formación de iones monatómicos

Los iones monatómicos se forman al añadir o quitar electrones de la capa de valencia de un átomo. Las capas internas de un átomo están llenas de electrones que están fuertemente unidos al núcleo atómico cargado positivamente y, por tanto, no participan en este tipo de interacción química, pero la capa de valencia puede ser muy reactiva dependiendo del átomo y de su configuración electrónica. El proceso de ganar o perder electrones de un átomo o molécula neutra se denomina ionización.

Los átomos pueden ser ionizados por bombardeo con radiación, pero el proceso más puramente químico de ionización es la transferencia de electrones entre átomos o moléculas. Esta transferencia está impulsada por la estabilización que supone la obtención de configuraciones electrónicas estables (de cáscara completa). Los átomos ganarán o perderán electrones dependiendo de la acción que requiera menos energía.

Por ejemplo, el elemento del Grupo 1, el sodio (Na), tiene un solo electrón en su capa de valencia, con capas completas de 2 y 8 electrones por debajo. La eliminación de este electrón hace que el sodio sea estable: Su capa más externa contiene ahora ocho electrones, dando al sodio la configuración electrónica del neón. Al haber ganado carga positiva, el ión sodio se denomina catión. La ionización del sodio puede ilustrarse químicamente de la siguiente manera:

Na → Na+ + e-

El sodio podría ganar electrones, pero necesitaría siete más para conseguir una capa de valencia completa. Quitar un electrón es mucho más fácil que ganar siete, y por lo tanto el sodio en todos los escenarios químicos logrará su octeto convirtiéndose en un catión.

Por otro lado, un átomo de cloro (Cl) tiene siete electrones en su capa de valencia, que es uno menos de una capa estable y completa con 8 electrones. Así, un átomo de cloro tiende a ganar un electrón extra y alcanzar una configuración estable de 8 electrones (la misma que la del argón), convirtiéndose en un anión cloruro negativo en el proceso:

Cl + e- → Cl-

Combinando la propensión del sodio a perder un electrón y del cloruro a ganar un electrón, observamos una reactividad complementaria. Cuando se combinan, los átomos sin carga pueden intercambiar electrones y al hacerlo, logran completar las capas de valencia. Los iones resultantes se adhieren entre sí debido a los enlaces iónicos (las cargas opuestas se atraen), dejando una estructura de red cristalina de NaCl, más conocida como sal gema. La reacción es la siguiente:

Na+ + Cl- → NaCl

Iones poliatómicos y moleculares

La ionización no se limita a átomos individuales; también se pueden formar iones poliatómicos. Los iones poliatómicos y moleculares se crean a menudo por la adición o eliminación de iones elementales, como el H+, en moléculas neutras. Por ejemplo, cuando el amoníaco, NH3, acepta un protón, H+, forma el ion amonio, NH4+. El amoníaco y el amonio tienen el mismo número de electrones en esencialmente la misma configuración electrónica, pero el amonio tiene un protón extra (el H+) que le da una carga neta positiva.

Notación química

Cuando se escribe la fórmula química de un ion, su carga neta se escribe en superíndice inmediatamente después de la estructura química de la molécula o el átomo. La carga neta se escribe con la magnitud antes del signo, es decir, un catión doblemente cargado se indica como 2+ en lugar de +2. Sin embargo, la magnitud de la carga se omite en el caso de moléculas o átomos con carga simple; por ejemplo, el catión sodio se indica como Na+ y no Na1+.

Una forma alternativa de mostrar una molécula o átomo con múltiples cargas es dibujando los signos varias veces; esto se ve a menudo con los metales de transición. Los químicos a veces rodean el signo; esto es meramente ornamental y no altera el significado químico. Un átomo de hierro con dos cargas positivas también puede expresarse como Fe2+ o Fe++.

En el caso de los metales de transición, los estados de oxidación pueden especificarse con números romanos; por ejemplo, el Fe2+ se denomina ocasionalmente Fe(II) o FeII. El número romano designa el estado de oxidación formal de un elemento, mientras que los números en superíndice denotan la carga neta. Por tanto, las dos notaciones son intercambiables para los iones monatómicos, pero los números romanos no pueden aplicarse a los iones poliatómicos. Sin embargo, es posible mezclar las notaciones para el centro metálico individual con un complejo poliatómico, como se demuestra utilizando el ion uranilo (UO2) como ejemplo.

Hay que tener en cuenta que es posible eliminar muchos electrones de un átomo. La energía necesaria para ello puede registrarse en un diagrama de energía de ionización sucesiva.