Carga y fórmula del ion aluminio

La carga de un ion aluminio es típicamente 3+. Esto se debe a que el número atómico del elemento es 13, lo que refleja el hecho de que tiene 13 electrones y 13 protones. La capa de valencia del aluminio tiene tres electrones, y según la regla del octeto, estos tres electrones se pierden dando como resultado sólo 10 electrones y 13 protones. El aluminio tiene entonces tres protones en exceso por lo que la carga de un ion de aluminio base es 3+.

Esa es la respuesta rápida respecto a cómo la carga del aluminio es 3+. Sin embargo, para entender mejor la relación entre los iones, la ionización y los diferentes elementos, es necesario echar un vistazo más de cerca a los iones positivos y negativos.

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Datos sobre el aluminio

«El aluminio ha sido llamado el nutriente de la sostenibilidad del mundo, y por una buena razón. Considere que el 75% de todo el aluminio fabricado desde 1886 sigue en uso». – William J. O’Rourke

El aluminio es un metal blando del grupo del boro en la tabla periódica de los elementos. Se representa con el símbolo «Al» y tiene el número atómico 13. El aluminio es un elemento extremadamente abundante, de hecho, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Junto con el hierro, el aluminio es el metal más utilizado. En el año 2016, la producción mundial de aluminio fue de unos 59 millones de toneladas métricas. El aluminio se utiliza para una amplia variedad de propósitos diferentes, incluyendo la creación de vehículos, baterías y materiales de embalaje, así como la construcción de edificios y la creación de utensilios de cocina.

La estructura de un átomo

Foto: geralt via , CC0

Los átomos están formados por tres partes básicas, separadas en dos regiones distintas. Los neutrones, los electrones y los protones son las tres partes constituyentes de un átomo. Los protones son partículas subatómicas con carga positiva, mientras que los neutrones son partículas subatómicas sin carga. Los neutrones y los protones tienen masas aproximadamente iguales. Los neutrones pesan alrededor de 1,67 x 10-24 gramos.

La primera región del átomo es el núcleo, el centro del átomo. El núcleo está compuesto por neutrones y protones. Fuera del núcleo se encuentra la región orbital, formada por electrones que orbitan alrededor del núcleo. Las partes más externas del átomo se denominan capas de electrones. Estos caparazones de electrones mantienen a los electrones en órbita y un átomo puede tener múltiples caparazones de electrones.

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Los átomos tienen diferentes propiedades basadas en cómo están dispuestas las partículas constituyentes simples. El número atómico de un elemento se basa en el número de protones que tiene un átomo de ese elemento. Si un átomo de un elemento es neutro, significa que tiene el mismo número de electrones y protones. El número de neutrones que tiene un elemento define los isótopos de ese elemento. Los isótopos son simplemente diferentes variantes de los átomos del elemento primario, que se diferencian únicamente en el número de neutrones que posee el átomo.

«Conquistar la materia es comprenderla, y comprender la materia es necesario para comprender el universo y a nosotros mismos; y que por lo tanto la Tabla Periódica de Mendeléyev, que justo en aquellas semanas aprendíamos a desentrañar, era poesía.» – Primo Levi

El número de masa de un elemento viene determinado por el número de protones y neutrones de un átomo del mismo. Los isótopos de un elemento tienen números de masa ligeramente diferentes porque difieren en su número de neutrones. La masa atómica de un elemento se discierne tomando la media de los números de masa de los diferentes isótopos de un elemento. Mientras que los isótopos son formas de elementos que difieren debido al diferente número de neutrones en los núcleos, los iones son átomos que tienen una carga eléctrica neta porque el átomo base del elemento ha ganado o perdido uno o más electrones.

Definición de un ion

Los iones son moléculas o átomos que han perdido o ganado uno o más electrones de su capa de valencia, lo que acaba dándoles una carga eléctrica neta negativa o positiva. Por decirlo de otro modo, los iones tienen un número desequilibrado de electrones y protones en una especie química. El término ion fue acuñado inicialmente por el químico inglés Michael Faraday para describir las sustancias químicas que se desplazan de un electrodo a otro.

Iones negativos y positivos

Muestra cómo un átomo de helio contiene un solo protón y un electrón, y cómo puede convertirse en un catión o un anión. Foto: Por Jkwchui – Obra propia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12617370

Los átomos puros no tienen carga eléctrica, y esto se debe a que los átomos poseen igual número de electrones y protones. Los electrones tienen carga negativa, mientras que los protones son partículas subatómicas con carga positiva. Sin embargo, ciertas situaciones e interacciones químicas pueden hacer que los átomos pierdan o ganen un electrón, lo que afecta a su carga neta. En este caso, los átomos que ven afectada su carga neta se convierten en iones.

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Como ejemplo, un átomo de aluminio tiene un número atómico de 13, lo que refleja que tiene 13 protones. Cada protón tiene una carga positiva, y como la mayoría de los átomos son neutros, se deduce que por cada protón hay un electrón, por lo que hay 13 electrones y 13 protones. Esto es cierto para todos los átomos de aluminio. Los metales son capaces de formar iones al perder electrones, y esto es cierto para el aluminio que puede perder tres electrones.

Si el resultado de un cambio de carga produce un ion positivo, el ion se denomina catión. Los cationes se denotan por el elemento que los compone, por lo que en este caso, hay un catión de aluminio.

En el ejemplo particular del aluminio, éste tenía una carga inicial de cero, gracias a que los 13 electrones y los 13 protones se anulan. Cuando un átomo de aluminio se convierte en un ion, pierde tres electrones. Como sólo hay 10 electrones, su valor se resta del número de protones, y la diferencia es un tres positivo. Por lo tanto, un ion de aluminio tiene una carga positiva de tres, mostrada como 3+. Algunos libros de química pueden poner el símbolo «+» antes del número en lugar de después del número. La versión catiónica del aluminio también puede mostrarse con un signo más y un número en superíndice: Al+3 o Al3+.

En cuanto a los iones con carga negativa, se denominan aniones. Los aniones son el resultado de un cambio de carga que deja una carga negativa global. Como es de esperar, la representación de un anión es con signo negativo en lugar del signo positivo del catión. Por ejemplo, el Cl- es un anión del cloro que se crea cuando el cloro toma otro electrón, lo que le da una carga neta de -1. A diferencia de los cationes, que se denominan simplemente cationes de los respectivos elementos, los aniones tienen un esquema de denominación especial (por lo que un anión del cloro no se denomina ion del cloro).

«Wonder es el elemento más pesado de la tabla periódica. Incluso una pequeña mota de él detiene el tiempo». – Diane Ackerman

Si un ion está formado por un solo elemento, se indica añadiendo el sufijo «-ide» al nombre del elemento, por lo que un anión de cloro se convierte en cloruro, y un ion de carbono y nitrógeno o CN- se convierte en cianuro. En la mayoría de los casos, el sufijo «-ide» es suficiente. Sin embargo, si hay iones formados por más de un elemento (denominados aniones poliatómicos) o aniones que contienen oxígeno, se necesitan más sufijos y prefijos. El sufijo «-ate» se aplica a los oxianiones que tienen el número típico de átomos de oxígeno en su interior. Mientras tanto, el sufijo «-ite» se aplica a los oxianiones que tienen un oxígeno menos que la norma.

Para los oxianiones que tienen dos oxígenos menos que la norma, pero que tienen una carga mínima, el elemento base se añade en medio de un prefijo «-hypo» y un sufijo «-ite». Mientras tanto, para los oxianiones que tienen un átomo de oxígeno más que la norma, pero que siguen teniendo una carga normal, se le añade el prefijo per y el sufijo «-ate». Por último, los aniones que tienen azufre sustituyendo al oxígeno reciben el prefijo «thio-«.

Las tendencias de energía de ionización de los elementos de la tabla periódica. Foto: Por Sponk (archivo PNG)Glrx (archivo SVG)Wylve (zh-Hans, zh-Hant)Palosirkka (fi)Michel Djerzinski (vi)TFerenczy (cz)Obsuser (sr-EC, sr-EL, hr, bs, sh)DePiep (elementos 104-108)Bob Saint Clar (fr)Shizhao (zh-Hans)Wiki LIC (es)Agung karjono (id)Szaszicska (hu) – Trabajo propio basado en: Erste Ionisierungsenergie PSE color coded.png by Sponk., CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24696016

Los diferentes elementos son capaces de dar lugar a iones de diversas maneras, algo que no sorprende si se tiene en cuenta la cantidad de familias diferentes que hay en la tabla periódica de los elementos. Sin embargo, dado que es posible agrupar estos elementos en familias (por el grupo o la columna en que se encuentran en la tabla periódica), es posible predecir la forma en que estos elementos crearán iones. Se pueden utilizar algunas heurísticas para predecir la creación de iones.

En general, los metales alcalinos, los que se encuentran en el grupo uno de la tabla periódica crean iones 1+ cuando se ionizan. Como ejemplo, el Li+ es el ion del litio. Los metales alcalinotérreos, los que se encuentran en el grupo 2 de la tabla periódica, se ionizan a cationes 2+. El berilio produce iones Be 2+. La mayoría de los metales del grupo 3 de la tabla periódica, como el indio, el galio y el aluminio, se ionizan para formar cationes 3+. El catión aluminio, como se ha visto anteriormente, se define como Al 3+. Los metaloides y no metales del grupo 6, como el oxígeno, el telurio, el selenio y el azufre, producen aniones 2+ cuando se ionizan. Por ejemplo, el estado estable e ionizado del oxígeno se da como O2-. Los elementos que se encuentran en el grupo 7 de la tabla periódica, producen aniones de -1 cuando se ionizan. Por esta razón, el anión del flúor se daría como Fl-.

Los metales puros, es decir, los que no son de transición, siempre acabarán formando cationes o iones positivos. De hecho, uno de los rasgos que definen a los metales es que éstos tienden a desprenderse de electrones. En cambio, los metales de transición o metaloides pueden formar iones con diversas intensidades de carga, y clasificar las numerosas formas en que se forman estos cationes es más complejo que los metales puros.

Mientras que los metales suelen formar cationes, los no metales suelen ganar electrones y formar aniones. Al igual que los metales pierden electrones, una propiedad que define a los no metales es que suelen ganar electrones. Las razones por las que estos metales y no metales ganan o pierden electrones tienen que ver con una serie de factores complejos. Algunos de los factores que influyen en la ionización de los elementos son el número de electrones de valencia que tiene cada átomo y la regla del octeto del enlace químico.