Iones
Un ion es un átomo o grupo de átomos con carga eléctrica neta. La carga aparece porque el número de protones y el de electrones dejan de coincidir. En la formación ordinaria de iones, el núcleo suele permanecer inalterado.
Carga a partir del recuento de electrones
Para un ion monoatómico:
carga/e = número de protones − número de electrones
Al³⁺ tiene 13 protones y 10 electrones. O²⁻ tiene 8 protones y 10 electrones. Ambos son especies de 10 electrones, pero sus cargas nucleares son distintas.
Configuraciones electrónicas de los iones
Los iones de los grupos principales suelen formarse retirando o añadiendo electrones en la capa ocupada más externa. Na: [Ne]3s¹ se convierte en Na⁺: [Ne]. Cl: [Ne]3s²3p⁵ se convierte en Cl⁻: [Ar].
Los iones de metales de transición requieren más cuidado. Aunque 4s se llena antes que 3d en los átomos neutros, una vez ocupado el subnivel d suelen retirarse primero los electrones 4s. Fe se escribe habitualmente [Ar]3d⁶4s²; Fe²⁺ es [Ar]3d⁶.
Los iones poliatómicos conservan enlaces covalentes en su interior
NH₄⁺, SO₄²⁻ y NO₃⁻ son grupos cargados, no átomos cargados aislados. Sus átomos permanecen unidos mediante enlaces covalentes mientras el grupo en conjunto porta carga neta.
Las estructuras de Lewis y la resonancia ayudan a representar la distribución de esa carga. Una carga formal escrita sobre un átomo en una forma de Lewis no debe interpretarse automáticamente como una carga medida y localizada.
Iones en sólidos, fundidos y disoluciones
En un sólido iónico, los iones ocupan una red extendida. No pueden moverse libremente, por lo que el sólido suele conducir mal. Al fundirse o disolverse, los iones móviles pueden transportar carga.
En agua, los iones están solvatados: las moléculas polares de agua se orientan a su alrededor. La hidratación modifica las interacciones efectivas y constituye una parte importante de la energética de disolución.
Herramienta de recuento de electrones
Usa carga con signo: +2 para un catión 2+ y −1 para un anión 1−.
La formación de iones es un balance energético
Retirar un electrón de un átomo neutro requiere energía de ionización. Añadir un electrón implica un cambio energético de afinidad electrónica. Un Na aislado no se convierte espontáneamente en Na⁺ solo porque Na⁺ tenga configuración de gas noble: hay que aportar energía para extraer el electrón.
En la formación de NaCl, ese coste se compensa con otros términos favorables, en especial la atracción en la red iónica. En disolución, la hidratación puede aportar una fuerte estabilización. Los iones estables resultan del balance total de energía del entorno químico.
Los iones isoelectrónicos separan número de electrones y carga nuclear
O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺ y Al³⁺ contienen todos 10 electrones. Sin embargo, sus tamaños son distintos porque sus núcleos contienen respectivamente 8, 9, 10, 11, 12 y 13 protones.
O²⁻ > F⁻ > Ne > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ en radio.
Dentro de una serie isoelectrónica, un mayor número de protones atrae con más fuerza hacia dentro a la misma población electrónica.
El balance de carga determina las fórmulas iónicas
Un compuesto iónico macroscópico es eléctricamente neutro. La relación entera más sencilla entre cationes y aniones debe hacer que se cancelen las cargas positiva y negativa totales.
| Iones | Fórmula neutra | Comprobación de carga |
|---|---|---|
| Na⁺ y Cl⁻ | NaCl | +1 −1 = 0 |
| Mg²⁺ y Cl⁻ | MgCl₂ | +2 + 2(−1) = 0 |
| Al³⁺ y O²⁻ | Al₂O₃ | 2(+3) + 3(−2) = 0 |
| Ca²⁺ y PO₄³⁻ | Ca₃(PO₄)₂ | 3(+2) + 2(−3) = 0 |
Los subíndices describen la proporción de iones en la unidad fórmula; no son las propias cargas.
Carga variable en metales de transición
Los metales de transición forman a menudo varios iones estables porque los estados ns y (n−1)d están próximos en energía. El hierro forma habitualmente Fe²⁺ y Fe³⁺; el cobre, Cu⁺ y Cu²⁺.
Por eso nombres como cloruro de hierro(II) y cloruro de hierro(III) especifican el estado de oxidación. El número romano se refiere a la carga del catión en esos compuestos iónicos, no al número de átomos de la fórmula.
Ionización, disociación y disolución son procesos distintos
Cuando NaCl se disuelve, los iones Na⁺ y Cl⁻ ya existentes se separan del cristal y se hidratan; esto es disociación. Cuando HCl se disuelve en agua, la transferencia de protones produce H₃O⁺ y Cl⁻; suele describirse como ionización porque moléculas neutras de HCl forman iones en el disolvente.
No conviene reducir estos procesos a «el compuesto se convierte en iones». El punto de partida microscópico es distinto: una red iónica ya contiene iones, mientras que una sustancia molecular puede formar iones mediante una reacción química con el disolvente.
Capas de hidratación y movilidad iónica
Las moléculas de agua orientan su extremo de oxígeno hacia los cationes y sus extremos de hidrógeno hacia los aniones. La primera capa de hidratación está estructurada, no es aleatoria, y los iones pequeños con alta carga pueden ligar el agua con especial intensidad.
El tamaño hidratado puede invertir lo esperado a partir del radio iónico desnudo. Li⁺ es un ion desnudo muy pequeño pero se hidrata fuertemente, por lo que su comportamiento hidrodinámico efectivo en agua no se deduce simplemente comparando radios cristalinos.
La conductividad eléctrica de una disolución depende tanto del número de portadores de carga como de la rapidez con la que cada ion hidratado se mueve por el disolvente.
Iones comunes y nombres químicos
| Ion | Nombre | Comentario |
|---|---|---|
| NH₄⁺ | amonio | catión poliatómico común |
| OH⁻ | hidróxido | química de bases |
| NO₃⁻ | nitrato | anión deslocalizado por resonancia |
| SO₄²⁻ | sulfato | oxoanión 2− |
| CO₃²⁻ | carbonato | central en equilibrios ácido–base |
| PO₄³⁻ | fosfato | oxoanión 3− |
Los paréntesis en las fórmulas agrupan un ion poliatómico cuando se necesita más de uno: Ca(NO₃)₂ contiene dos iones nitrato por cada Ca²⁺.
Asociación iónica: en disoluciones concentradas, los iones de carga opuesta pueden permanecer asociados parte del tiempo. La conductividad y el comportamiento termodinámico pueden desviarse, por tanto, de la imagen ideal de iones hidratados completamente independientes.
La densidad de carga importa: un ion 2+ pequeño como Mg²⁺ polariza el disolvente o los aniones próximos mucho más que un ion 1+ grande. La carga iónica por sí sola no basta para predecir la intensidad de la interacción.
Ejercicios
Ion calcio
¿Cuántos electrones tiene Ca²⁺ (Z=20)?
Solución
18 electrones.
Tamaño respecto al átomo
¿Cuál es mayor, Na o Na⁺?
Solución
Na. Formar Na⁺ elimina el electrón 3s y toda la capa de valencia n=3.
Hierro
Partiendo de [Ar]3d⁶4s², escribe Fe³⁺.
Solución
Retira dos electrones 4s y después un electrón 3d: [Ar]3d⁵.