Capítulo XI

VALENCIA

~Definición de valencia.~ El estudio de las fórmulas de varios compuestos binarios muestra que los elementos difieren entre sí en cuanto al número de átomos de otros elementos que pueden mantener combinados. Esto se ilustra en las siguientes fórmulas

HCl, H{2}O, H{3}N, H{4}C. (ácido clorhídrico) (agua) (amoníaco) (gas de los pantanos)

Se notará que, mientras un átomo de cloro se combina con un átomo de hidrógeno, un átomo de oxígeno se combina con dos, un átomo de nitrógeno con tres y uno de carbono con cuatro. El número que expresa esta proporción de combinación entre átomos es una propiedad definida de cada elemento y se llama su valencia.

DEFINICIÓN: La valencia de un elemento es aquella propiedad que determina el número de átomos de otro elemento que su átomo puede mantener en combinación.

~La valencia como propiedad numérica.~ La valencia es, por lo tanto, simplemente una relación numérica y no proporciona información sobre la intensidad de la afinidad entre átomos. Juzgando por el calor liberado en su unión, el oxígeno tiene una afinidad mucho más fuerte por el hidrógeno que el nitrógeno, pero un átomo de oxígeno solo puede combinarse con dos átomos de hidrógeno, mientras que un átomo de nitrógeno puede combinarse con tres.

~Medida de la valencia.~ Al expresar la valencia de un elemento, debemos seleccionar algún estándar de comparación, así como en la medición de cualquier otra cantidad numérica. Se ha encontrado que un átomo de hidrógeno nunca puede mantener combinado más de un átomo de cualquier otro elemento. Por lo tanto, el hidrógeno se toma como estándar, y los demás elementos se comparan con él para determinar su valencia. Varios otros elementos, como el hidrógeno, pueden combinarse como máximo con un átomo de otros elementos, y tales elementos se llaman univalentes. Entre estos están el cloro, el yodo y el sodio. Elementos como el oxígeno, calcio y zinc, que pueden combinarse con dos átomos de hidrógeno u otros elementos univalentes, se dicen divalentes. De manera similar, tenemos elementos trivalentes, tetravalentes, pentavalentes. Ninguno tiene una valencia mayor de 8.

~Medida indirecta de la valencia.~ Muchos elementos, especialmente entre los metales, no forman fácilmente compuestos con hidrógeno, y su valencia no es fácil de determinar por comparación directa con el elemento estándar. Sin embargo, estos elementos se combinan con otros elementos univalentes, como el cloro, y su valencia puede determinarse a partir de los compuestos así formados.

~Valencia variable.~ Muchos elementos pueden ejercer diferentes valencias bajo distintas circunstancias. Así tenemos los compuestos Cu{2}O y CuO, CO y CO{2}, FeCl{2} y FeCl{3}. No siempre es posible asignar una valencia fija a un elemento. Sin embargo, cada elemento tiende a ejercer una valencia normal, y los compuestos en los que tiene una valencia diferente suelen ser inestables y se transforman fácilmente en compuestos en los que la valencia del elemento es normal. Las valencias de los diversos elementos se irán conociendo a medida que se estudien en detalle.

~Valencia y proporciones de combinación.~ Cuando los elementos se combinan para formar compuestos, la proporción en que se combinan estará determinada por sus valencias. En aquellos compuestos que consisten en dos elementos combinados directamente, la unión es entre tales números de átomos de ambos elementos que tengan valencias iguales. Los elementos de la misma valencia, por lo tanto, se combinarán átomo por átomo. Designando la valencia de los átomos con números romanos colocados sobre sus símbolos, tenemos las fórmulas

II II II III III IV IV HCl, ZnO, BN, CSi.

Un elemento divalente, por otro lado, se combinará con dos átomos de un elemento univalente. Así tenemos

II II II II ZnCl{2} y H{2}O

(los números sobre cada símbolo representan la suma de las valencias de los átomos del elemento presente). Un átomo trivalente se combinará con tres átomos de un elemento univalente, como en el compuesto

III III H{3}N.

Si un elemento trivalente se combina con uno divalente, la unión será entre dos átomos del elemento trivalente y tres del divalente, ya que estos números son los menores que tienen valencias iguales. Así, el óxido del metal trivalente aluminio tiene la fórmula Al{2}O{3}. Finalmente, un átomo de un elemento tetravalente como el carbono se combinará con cuatro átomos de un elemento univalente, como en el compuesto CH{4}, o con dos átomos de un elemento divalente, como en el compuesto CO{2}.

No tenemos conocimiento de por qué los elementos difieren en su poder de combinación, y no hay manera de determinar sus valencias salvo por medio de experimentos.

~Valencia y la estructura de los compuestos.~ Se encontrarán, de vez en cuando, compuestos que son aparentes excepciones a las afirmaciones generales recién hechas respecto a la valencia. Así, a partir de la fórmula del peróxido de hidrógeno (H{2}O{2}), podría suponerse que el oxígeno es univalente; sin embargo, es ciertamente divalente en el agua (H{2}O). Que también puede ser divalente en H{2}O{2} puede aclararse de la siguiente manera: La valencia unitaria de cada elemento puede representarse gráficamente por una línea unida a su símbolo. El hidrógeno univalente y el oxígeno divalente tendrán entonces los símbolos H- y -O-. Cuando los átomos se combinan, cada valencia unitaria de un átomo se combina con la valencia unitaria de otro átomo. Así, la composición del agua puede expresarse por la fórmula H-O-H, que pretende mostrar que cada una de las valencias unitarias del oxígeno está satisfecha con la valencia unitaria de un solo átomo de hidrógeno.

La conducta química del peróxido de hidrógeno lleva a la conclusión de que los dos átomos de oxígeno de su molécula están en combinación directa entre sí, y además, cada uno está combinado con un átomo de hidrógeno. Esto puede expresarse con la fórmula H-O-O-H. El oxígeno en el compuesto es, por lo tanto, divalente, igual que en el agua. Así se ve que es necesario conocer la estructura de un compuesto antes de poder decidir definitivamente las valencias de los átomos que lo componen.

Tales fórmulas como H-O-H y H-O-O-H se conocen como fórmulas estructurales, porque pretenden mostrar lo que se sabe acerca de la disposición de los átomos en las moléculas.

~Valencia y el poder de sustitución de los átomos.~ Así como los elementos que tienen la misma valencia se combinan entre sí átomo por átomo, si se sustituyen entre sí en una reacción química, lo harán en la misma proporción. Esto se observa en las siguientes ecuaciones, en las que un átomo de hidrógeno univalente es reemplazado por un átomo de sodio univalente:

NaOH + HCl = NaCl + H{2}O.

2NaOH + H{2}SO{4} = Na{2}SO{4} + 2H{2}O.

Na + H{2}O = NaOH + H.

De manera similar, un átomo de calcio divalente reemplazará a dos átomos de hidrógeno univalente o a uno de zinc divalente:

Ca(OH){2} + 2 HCl = CaCl{2} + 2H{2}O.

CaCl{2} + ZnSO{4} = CaSO{4} + ZnCl{2}.

De igual modo, un átomo de un elemento trivalente reemplazará a tres de un elemento univalente, o dos átomos reemplazarán a tres átomos de un elemento divalente.

~Valencia y sus aplicaciones a las fórmulas de las sales.~ Aunque la verdadera naturaleza de la valencia no se comprende y muchas cuestiones relacionadas con el tema siguen sin respuesta, muchos de los hechos principales son de gran ayuda para el estudiante. Así, la fórmula de una sal difiere de la del ácido del que se deriva en que el hidrógeno del ácido ha sido reemplazado por un metal. Si, entonces, se sabe que un determinado metal forma una sal normal con cierto ácido, la fórmula de la sal puede determinarse de inmediato si se conoce la valencia del metal. Como el sodio es univalente, las sales de sodio de los ácidos HCl y H{2}SO{4} serán respectivamente NaCl y Na{2}SO{4}. Un átomo de zinc divalente reemplazará a 2 átomos de hidrógeno, por lo que las sales correspondientes de zinc serán ZnCl{2} y ZnSO{4}.

La fórmula del sulfato de aluminio es algo más difícil de determinar. El aluminio es trivalente, y la proporción más simple en la que el átomo de aluminio puede reemplazar al hidrógeno en el ácido sulfúrico es 2 átomos de aluminio (6 valencias) por 3 moléculas de ácido sulfúrico (6 átomos de hidrógeno). La fórmula del sulfato será entonces Al{2}(SO{4}){3}.

~Valencia y su aplicación a la escritura de ecuaciones.~ Se verá fácilmente que el conocimiento de la valencia también es de gran ayuda para escribir las ecuaciones de las reacciones de doble descomposición. Así, en la reacción general entre un ácido y una base, la acción esencial es entre el ion hidrógeno univalente y el ion hidroxilo univalente. La base y el ácido siempre deben tomarse en tales proporciones que se asegure un número igual de cada uno de estos iones. Así, en la reacción entre el hidróxido férrico (Fe(OH){3}) y el ácido sulfúrico (H{2}SO{4}), será necesario tomar 2 moléculas del primero y 3 del segundo para tener un número igual de los dos iones, es decir, 6. La ecuación será entonces

2Fe(OH){3} + 3H{2}SO{4} = Fe{2}(SO{4}){3} + 6H{2}O.

Bajo ciertas condiciones, las sales Al{2}(SO{4}){3} y CaCl{2} sufren una doble descomposición, intercambiando sus metales, aluminio y calcio, de lugar. La proporción más simple de intercambio en este caso es de 2 átomos de aluminio (6 valencias) y 3 átomos de calcio (6 valencias). Por lo tanto, la reacción tendrá lugar entre 1 molécula de Al{2}(SO{4}){3} y 3 de CaCl{2}, y la ecuación es la siguiente:

Al{2}(SO{4}){3} + 3 CaCl{2} = 3CaSO{4} + 2AlCl{3}.

EJERCICIOS

1. El sodio, el calcio y el aluminio tienen valencias de 1, 2 y 3 respectivamente; escriba las fórmulas de sus cloruros, sulfatos y fosfatos (ácido fosfórico = H{3}PO{4}), suponiendo que forman sales de composición normal.

2. El hierro forma una serie de sales en las que tiene una valencia de 2, y otra serie en las que tiene una valencia de 3; escriba las fórmulas de los dos cloruros de hierro, así como de los dos sulfatos, suponiendo que estos tienen la composición normal.

3. Escriba la ecuación que representa la neutralización de cada una de las siguientes bases por cada uno de los ácidos cuyas fórmulas se dan:

NaOH HCl Ba(OH){2} H{2}SO{4} Al(OH){3} H{3}PO{4}

4. La plata actúa como un elemento monovalente y el calcio como un elemento divalente en la formación de sus respectivos nitratos y cloruros. (a) Escriba la fórmula del nitrato de plata; del cloruro de calcio. (b) Cuando se mezclan soluciones de estas dos sales, los dos metales, plata y calcio, intercambian lugares; escriba la ecuación de la reacción.

5. El antimonio actúa como un elemento trivalente en la formación de un cloruro. (a) ¿Cuál es la fórmula del cloruro de antimonio? (b) Cuando se hace pasar ácido sulfhídrico (H{2}S) en una solución de este cloruro, el hidrógeno y el antimonio intercambian lugares; escriba la ecuación de la reacción.

6. El plomo tiene una valencia de 2 y el hierro de 3 en los compuestos conocidos respectivamente como nitrato de plomo y sulfato férrico. (a) Escriba las fórmulas de estos dos compuestos. (b) Cuando se mezclan sus soluciones, los dos metales intercambian lugares; escriba la ecuación de la reacción.