El enlace iónico
Lo que vas a aprender
- Explicar la formación de un enlace iónico como transferencia de electrones de un metal a un no metal.
- Escribir la fórmula de un compuesto iónico a partir de las cargas de sus iones y comprobarla con la neutralidad de cargas.
- Describir las propiedades generales de los compuestos iónicos y relacionarlas con su estructura en red.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
La sal con la que se cocina, el polvo blanco de la tiza y muchos de los minerales de las rocas tienen algo en común: están hechos de iones, partículas con carga eléctrica que se atraen con fuerza. Entender cómo se forman esos iones y por qué se juntan en una proporción fija te permite predecir la fórmula de un compuesto sin memorizarla, y explicar por qué la sal es un sólido duro que, sin embargo, se parte a golpes y conduce la electricidad cuando está disuelta en agua.
Antes de empezar repasa qué son los electrones de valencia y la regla del octeto: los átomos tienden a quedar con la misma distribución de electrones que el gas noble más cercano en la tabla periódica.
Explicación
Ceder y recibir electrones
Mira la configuración electrónica del sodio: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$. Tiene un electrón en su último nivel. Si lo pierde, le queda la configuración del neón, que es muy estable. El cloro, $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$, tiene siete electrones de valencia: le falta uno para completar ocho, como el argón.
Cuando un átomo de sodio y uno de cloro se encuentran, el sodio cede su electrón de valencia y el cloro lo recibe. Así se forman dos iones:
- el sodio queda con un protón más que electrones: es el catión Na⁺;
- el cloro queda con un electrón más que protones: es el anión Cl⁻.
Las cargas opuestas se atraen. Esa atracción eléctrica entre cationes y aniones es el enlace iónico. Fíjate en que el electrón no desaparece ni se crea: el que pierde el sodio es exactamente el que gana el cloro. Por eso el total de electrones cedidos siempre es igual al total de electrones recibidos.
Quién cede y quién recibe
Los metales tienen pocos electrones de valencia y los pierden con relativa facilidad: forman cationes. Los no metales de los grupos 15, 16 y 17 tienen cinco, seis o siete electrones de valencia y tienden a ganar los que les faltan para llegar a ocho: forman aniones. La carga de los iones más comunes sale del grupo:
| Grupo | Electrones de valencia | Ion típico | Ejemplos |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | carga +1 | Na⁺, K⁺ |
| 2 | 2 | carga +2 | Mg²⁺, Ca²⁺ |
| 13 | 3 | carga +3 | Al³⁺ |
| 15 | 5 | carga −3 | N³⁻ |
| 16 | 6 | carga −2 | O²⁻, S²⁻ |
| 17 | 7 | carga −1 | F⁻, Cl⁻ |
Una regla general útil es: un metal con un no metal suele formar un compuesto iónico. Es una regla general y no una ley: hay compuestos de metal y no metal en los que los electrones no se transfieren del todo y el enlace tiene mucho de covalente (pasa, por ejemplo, con algunos compuestos de berilio y de aluminio). Y hay compuestos iónicos sin ningún átomo metálico, como el cloruro de amonio, cuyo catión NH₄⁺ está formado por no metales. Lo que decide de verdad es qué tan distinta es la fuerza con que cada átomo atrae los electrones: cuanto mayor es esa diferencia, más iónico es el enlace. Esa idea, la electronegatividad, la usarás en la lección de polaridad.
La fórmula sale de las cargas
Un compuesto iónico no tiene carga: las cargas positivas y las negativas tienen que sumar cero. Esa sola condición basta para escribir su fórmula.
Con Na⁺ y Cl⁻, un ion de cada uno ya suma cero: la fórmula es NaCl. Con Mg²⁺ y Cl⁻ no basta un cloruro, porque el magnesio aporta dos cargas positivas: hacen falta dos iones cloruro, y la fórmula es MgCl₂.
Un atajo para encontrar las cantidades es el cruce de cargas: el número de la carga de cada ion pasa a ser el subíndice del otro. Después hay dos cuidados:
- Simplificar si los dos subíndices tienen un divisor común. El cruce con Ca²⁺ y O²⁻ daría Ca₂O₂, pero la proporción más simple es uno a uno: CaO.
- Comprobar siempre con la suma de cargas: subíndice por carga del catión más subíndice por carga del anión tiene que dar cero.
En la fórmula se escribe primero el catión y después el anión, y el subíndice 1 no se escribe. El nombre se lee al revés: NaCl es cloruro de sodio; los aniones de un solo elemento terminan en -uro (cloruro, sulfuro, nitruro), salvo el del oxígeno, que da óxido. La nomenclatura completa viene en la unidad 4.
No hay moléculas: hay una red
En un cristal de sal no existen parejas sueltas de Na⁺ y Cl⁻. Cada catión está rodeado de varios aniones y cada anión de varios cationes, en un arreglo ordenado que se repite en las tres direcciones: una red cristalina. Por eso la fórmula NaCl no describe una molécula, sino la proporción de iones en la red, que se llama fórmula unidad.
Propiedades que salen de la red
Como cada ion está sujeto por muchos vecinos de carga opuesta, los compuestos iónicos comparten unas propiedades generales:
- A temperatura ambiente son sólidos, y para fundirlos hace falta calentarlos mucho más que a la mayoría de las sustancias moleculares.
- Son duros pero quebradizos: un golpe corre una capa de la red, quedan enfrentados iones de la misma carga, se repelen y el cristal se parte.
- En estado sólido no conducen la electricidad, porque los iones no se pueden mover. Fundidos o disueltos en agua sí conducen, porque los iones quedan libres para desplazarse.
- Muchos se disuelven en agua, aunque no todos: hay compuestos iónicos muy poco solubles, y precisamente con ellos se estudian más adelante las reacciones de precipitación.
Ejemplo resuelto
La fórmula del óxido de aluminio
El aluminio forma el ion Al³⁺ y el oxígeno forma el ion O²⁻. Escribe la fórmula del compuesto que forman y compruébala.
Ver la solución paso a paso
Cruzamos las cargas: el 3 del aluminio pasa a ser el subíndice del oxígeno y el 2 del oxígeno pasa a ser el subíndice del aluminio. Queda Al₂O₃. Los subíndices 2 y 3 no tienen divisor común, así que no se simplifica.
Comprobamos la neutralidad: dos iones de carga +3 y tres iones de carga −2.
$$2 \cdot 3 + 3 \cdot \left(-2\right) = 0$$
Contamos los átomos de cada elemento en la fórmula:
$$\text{átomos de Al en }\mathrm{Al_{2}O_{3}} = 2$$
y
$$\text{átomos de O en }\mathrm{Al_{2}O_{3}} = 3$$
Los electrones también cuadran: dos aluminios ceden tres electrones cada uno, y tres oxígenos reciben dos cada uno.
$$2 \cdot 3 = 3 \cdot 2$$
Respuesta: La fórmula es Al₂O₃ (óxido de aluminio).
Ejemplo resuelto
Del átomo al ion y a la fórmula
El magnesio está en el grupo 2 y el cloro en el grupo 17. ¿Qué iones forman y cuál es la fórmula de su compuesto?
Ver la solución paso a paso
El magnesio tiene 2 electrones de valencia y los cede: queda Mg²⁺. El cloro tiene 7 y le falta 1 para el octeto: lo gana y queda Cl⁻.
$$7 + 1 = 8$$
Un magnesio cede 2 electrones y cada cloro recibe 1, así que hacen falta dos cloros por cada magnesio:
$$2 = 2 \cdot 1$$
La fórmula es MgCl₂. Comprobamos que la suma de cargas da cero:
$$1 \cdot 2 + 2 \cdot \left(-1\right) = 0$$
Y contamos los cloros de la fórmula:
$$\text{átomos de Cl en }\mathrm{MgCl_{2}} = 2$$
Respuesta: Se forman Mg²⁺ y Cl⁻, y la fórmula es MgCl₂ (cloruro de magnesio).
Ejemplo resuelto
Cuando el cruce hay que simplificarlo
Escribe la fórmula del compuesto que forman Ca²⁺ y O²⁻.
Ver la solución paso a paso
El cruce de cargas da Ca₂O₂. Esa fórmula es neutra:
$$2 \cdot 2 + 2 \cdot \left(-2\right) = 0$$
pero los dos subíndices se pueden dividir entre 2. La proporción más simple es un calcio por cada oxígeno, y también es neutra:
$$1 \cdot 2 + 1 \cdot \left(-2\right) = 0$$
En un compuesto iónico la fórmula es la proporción más simple, así que se escribe CaO. Tiene un átomo de cada elemento:
$$\text{átomos de Ca en }\mathrm{CaO} = \text{átomos de O en }\mathrm{CaO}$$
Respuesta: La fórmula es CaO (óxido de calcio), no Ca₂O₂.
Práctica
¿Cuántos átomos de oxígeno hay en la fórmula unidad Al₂O₃?
El subíndice 3 va detrás del O: hay tres iones óxido por cada dos iones aluminio.
¿Cuántos iones F⁻ hacen falta por cada ion Al³⁺ para que el compuesto sea neutro?
Las tres cargas positivas del aluminio se compensan con tres cargas negativas: tres fluoruros. La fórmula es AlF₃ (fluoruro de aluminio).
¿Cuántos iones K⁺ hacen falta por cada ion S²⁻?
Cada potasio aporta una carga positiva y el sulfuro tiene dos negativas: hacen falta dos potasios. La fórmula es K₂S.
Mg²⁺ y Cl⁻ forman MgCl₂. ¿Verdadero o falso? La suma de sus cargas es $1 \cdot 2 + 2 \cdot \left(-1\right) = 0$
Un magnesio aporta +2 y dos cloruros aportan −2 en total: la suma es cero y el compuesto es neutro.
Un estudiante escribe NaO para el compuesto de Na⁺ y O²⁻. ¿Verdadero o falso? Esa fórmula es neutra: $1 \cdot 1 + 1 \cdot \left(-2\right) = 0$
Con un sodio y un oxígeno sobra una carga negativa. Hacen falta dos sodios: la fórmula correcta es Na₂O.
El magnesio forma Mg²⁺ y el nitrógeno forma N³⁻. En la fórmula de su compuesto, ¿cuántos iones de magnesio hay? Usa la proporción más simple.
Para que las cargas se compensen hace falta un total de 6 positivas y 6 negativas: tres Mg²⁺ y dos N³⁻. La fórmula es Mg₃N₂ (nitruro de magnesio).
En el óxido de sodio, Na₂O, cada sodio cede 1 electrón. ¿Cuántos electrones recibe el oxígeno?
Hay dos sodios y cada uno cede un electrón: el oxígeno recibe dos y queda O²⁻.
En el óxido de hierro Fe₂O₃ cada hierro es Fe³⁺. ¿Cuántas cargas positivas hay en total en la fórmula unidad?
Dos iones de carga +3 suman +6, que compensan las −6 de los tres óxidos.
¿Cuántos iones en total (cationes más aniones) hay en la fórmula unidad CaCl₂?
Un ion Ca²⁺ y dos iones Cl⁻: tres iones en total.
Un cristal de sal de cocina no conduce la electricidad, pero la misma sal disuelta en agua sí la conduce. ¿Por qué?
En el sólido los iones existen, pero están fijos en la red. Disueltos se pueden desplazar, y una corriente es carga en movimiento.
¿Qué frase describe mejor la regla «metal con no metal forma un compuesto iónico»?
Funciona en la mayoría de los casos escolares, pero hay compuestos de metal y no metal con mucho carácter covalente, y compuestos iónicos sin metales, como el cloruro de amonio.
Reto
¿Este elemento forma catión o anión?
Lleva cada elemento a su canasta. Piensa en cuántos electrones de valencia tiene y si le es más fácil perderlos o ganar los que le faltan.
Reto
Une cada pareja de iones con la fórmula de su compuesto.
La suma de las cargas tiene que dar cero, con la proporción más simple.
Reto
Abre el candado de los iones.
Cada respuesta es una cifra del código.
Cierre
En resumen
En el enlace iónico un átomo cede electrones y otro los recibe; los iones de carga opuesta que se forman se atraen.
Los metales tienden a formar cationes y los no metales de los grupos 15 a 17 tienden a formar aniones; «metal con no metal da compuesto iónico» es una regla general con excepciones.
La fórmula de un compuesto iónico es la proporción más simple de iones que hace cero la suma de las cargas, y siempre se comprueba con esa suma.
Los compuestos iónicos forman redes cristalinas, son sólidos duros y quebradizos, y conducen la electricidad fundidos o disueltos, pero no en estado sólido.
Vocabulario
- Enlace iónico
Unión entre iones de carga opuesta que se atraen, formada cuando un átomo cede electrones y otro los recibe.
- Catión
Ion con carga positiva: el átomo perdió uno o más electrones.
- Anión
Ion con carga negativa: el átomo ganó uno o más electrones.
- Red cristalina
Arreglo ordenado y repetido de iones positivos y negativos que forma un sólido iónico.
- Fórmula unidad
La proporción más simple de iones que hace neutro a un compuesto iónico, por ejemplo NaCl o MgCl₂.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre sal de cocina y pregunte por qué un grano no conduce la electricidad y el agua salada sí. Recoja hipótesis sin corregirlas.
- Explicación · 20 min — Transferencia de electrones en el NaCl con las configuraciones en el tablero; tabla de cargas por grupo; los tres ejemplos de fórmulas, insistiendo en la comprobación con la suma de cargas.
- Práctica · 15 min — Preguntas en parejas; el dominó y el candado se pueden proyectar y resolver en grupo.
- Cierre · 5 min — Vuelva a la pregunta inicial y pida que la respondan con las palabras red, ion y movimiento.
Preguntas para el salón
- Si el sodio pierde un electrón, ¿adónde va ese electrón? ¿Puede perderse sin que nadie lo reciba?
- ¿Por qué la fórmula del óxido de calcio es CaO y no Ca₂O₂, si las dos son neutras?
- ¿Por qué decimos que NaCl no es una molécula?
Errores típicos
- Escribir la carga como subíndice del mismo ion (Mg₂Cl) en lugar de cruzarla. Pida que comprueben siempre con la suma de cargas: la fórmula mal escrita no da cero.
- No simplificar el cruce de cargas (Ca₂O₂, Mg₂O₂). Recuerde que la fórmula de un compuesto iónico es una proporción, como una fracción que se deja irreducible.
- Tomar «metal con no metal da iónico» como una ley sin excepciones. Mencione el cloruro de amonio, iónico sin metales, y anuncie que la electronegatividad afina la regla.
- Creer que un sólido iónico no tiene iones porque no conduce. Distinga entre tener cargas y que las cargas se puedan mover.
Tarea sugerida
Escribir y comprobar con la suma de cargas las fórmulas de los compuestos que forman K⁺ con O²⁻, Ba²⁺ con O²⁻ y Ca²⁺ con N³⁻, y explicar por escrito por qué la sal fundida conduce la electricidad.