3.4: Clasificación de los Elementos y los Compuestos

Las sustancias puras consisten en un solo tipo de materia. Una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. Un elemento consta de un solo tipo de átomo, mientras que un compuesto consta de dos o más tipos de átomos mantenidos juntos por un enlace químico. Los elementos se clasifican como atómicos o moleculares en función de la naturaleza de sus unidades básicas.

Los compuestos son sustancias puras formadas por dos o más elementos en proporciones fijas y definidas. Los compuestos se clasifican como iónicos o moleculares (covalentes) basado en los enlaces presentes en ellos.

Compuestos moleculares

Los compuestos moleculares (o compuestos covalentes) resultan cuando dos o más átomos no metálicos diferentes comparten electrones para formar enlaces covalentes. Las unidades básicas de los compuestos moleculares son moléculas neutrales discretas compuestas por diferentes átomos constituyentes. Por ejemplo, el compuesto molecular monóxido de carbono está compuesto por moléculas de CO que contienen átomos de carbono y oxígeno unidos covalentemente. Del mismo modo, el metanol contiene moléculas de CH₃OH como unidades base, constituyendo un átomo de carbono, un átomo de oxígeno y cuatro átomos de hidrógeno, todos los cuales están conectados covalentemente. 

Los compuestos moleculares se pueden identificar en función de sus propiedades físicas. En condiciones normales, los compuestos moleculares a menudo existen como gases, líquidos de baja ebullición y sólidos de baja fusión, aunque existen excepciones. 

Compuestos iónicos

Cuando un elemento compuesto de átomos que pierden fácilmente electrones (un metal) reacciona con un elemento compuesto de átomos que ganan fácilmente electrones (un no metal), generalmente ocurre una transferencia de electrones, produciendo iones. El compuesto formado por esta transferencia es estabilizado por las atracciones electrostáticas (enlaces iónicos) entre los iones con carga opuesta presentes en el compuesto. Por ejemplo, cuando cada átomo de sodio en una muestra de metal de sodio (grupo 1) da un electrón para formar un catión de sodio, Na⁺, y cada átomo de cloro en una muestra de gas cloro (grupo 17) acepta un electrón para formar un anión cloruro, Cl⁻, el compuesto resultante, NaCl, está compuesto de iones de sodio e iones de cloruro en la proporción de un Na⁺ por cada ión Cl⁻. 

Un compuesto que contiene iones y se mantiene unido por enlaces iónicos se llama compuesto iónico. Los compuestos iónicos son sólidos que normalmente se derriten a altas temperaturas y se hierven a temperaturas incluso más altas. En forma sólida, un compuesto iónico no es eléctricamente conductivo porque sus iones no pueden fluir. Sin embargo, cuando se funde, puede conducir la electricidad porque sus iones pueden moverse libremente a través del líquido. 

En cada compuesto iónico, el número total de cargas positivas de los cationes es igual al número total de cargas negativas de los aniones. Por lo tanto, los compuestos iónicos son eléctricamente neutros en general, aunque contienen iones positivos y negativos. 

Muchos compuestos iónicos contienen iones poliatómicos como el catión, el anión o ambos. Al igual que con los compuestos iónicos simples, estos compuestos también deben ser eléctricamente neutros, por lo que sus fórmulas pueden predecirse tratando los iones poliatómicos como unidades discretas. Utilizamos paréntesis en una fórmula para indicar un grupo de átomos que se comportan como una unidad. Por ejemplo, la fórmula para el fosfato de calcio, uno de los minerales en nuestros huesos, es Ca₃(PO₄)₂. Esta fórmula indica que hay tres iones de calcio (Ca²⁺) por cada dos grupos fosfato (PO₄)³⁻. Los grupos (PO₃)³⁻ son unidades discretas, cada una de las cuales consiste en un átomo de fósforo y cuatro átomos de oxígeno, y tienen una carga total de 3−. El compuesto es eléctricamente neutro, y su fórmula muestra un recuento total de tres átomos de Ca, dos de P y ocho de O.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 2.6: Compuestos Moleculares e Iónicos.

En la naturaleza, las sustancias puras existen como elementos o compuestos. Dependiendo de la unidad básica, los elementos existen en forma atómica o molecular, mientras que los compuestos se pueden subcategorizar como moleculares o iónicos. La unidad básica de los elementos atómicos son los átomos individuales.

El helio, el oro y el hierro son ejemplos de elementos monoatómicos que pueden existir como átomos individuales estables. Por otro lado, los elementos moleculares contienen dos o más átomos unidos entre sí que forman una molécula como unidad básica. El hidrógeno diatómico con dos átomos de hidrógeno y azufre poliatómico con ocho átomos de azufre son ejemplos de elementos moleculares.

En comparación con los elementos moleculares, los compuestos moleculares se forman cuando los átomos de dos o más elementos no metálicos se combinan compartiendo electrones de valencia a través de enlaces covalentes. La combinación reduce la energía potencial global del sistema, impulsando así la formación de una molécula estable. Por tanto, las unidades básicas de un compuesto molecular son moléculas discretas compuestas por átomos constitutivos.

El etanol es un compuesto molecular que contiene unidades básicas de distintas moléculas de etanol que comprenden dos átomos de carbono, seis de hidrógeno y uno de oxígeno. Los compuestos iónicos se forman cuando los átomos de elementos metálicos se combinan con los átomos de uno o más elementos no metálicos. Los átomos metálicos pierden fácilmente sus electrones de valencia para formar cationes con carga positiva, mientras que los átomos no metálicos ganan electrones formando aniones cargados negativamente.

Se forman fuertes atracciones electrostáticas o enlaces iónicos entre los iones con carga opuesta, lo que reduce la energía total del sistema e impulsa el ensamblaje de estructuras reticulares iónicas tridimensionales estables y ordenadas. La matriz más pequeña de los iones que forman unidades básicas eléctricamente neutras de un compuesto iónico, se llama la unidad de fórmula. La sal de mesa es un compuesto iónico con una unidad de fórmula de NaCl o cloruro de sodio que contiene una matriz tridimensional alterna de iones de sodio y iones de cloruro.

Sin embargo, muchos compuestos iónicos están compuestos de iones que no son singulares, como el sodio o el cloruro, sino que están formados por múltiples átomos unidos covalentemente con una carga neta negativa o positiva, llamados iones poliatómicos. Por ejemplo, el acetato de sodio está compuesto de iones de sodio con carga positiva y iones de acetato poliatómico que tienen una carga neta negativa.