Los átomos de diferentes elementos pueden unirse de dos formas principales. En un enlace iónico, un metal da uno o más electrones a un no metal, formando iones con carga opuesta que se mantienen unidos por atracción eléctrica. Los enlaces covalentes se forman por dos o más no metales que comparten electrones. Los compuestos iónicos no forman moléculas como tales, sino que, en forma sólida, consisten en redes cristalinas tridimensionales que contienen un gran número de átomos. Algunos compuestos covalentes pueden formar redes de cristales similares. Una unidad de fórmula es la relación más pequeña entre átomos de diferentes elementos en este tipo de estructura que se puede expresar como números enteros.
Compuestos ionicos
Un ejemplo simple es el cloruro de sodio o sal común, un compuesto de los elementos sodio y cloro. Un cristal de sal consta de iones de sodio con carga positiva unidos a iones de cloruro con carga negativa; los iones negativos formados por los no metales terminan en «–ide». El cristal contiene una enorme cantidad de iones de sodio y cloruro, pero hay un ión de cloruro por cada ión de sodio, por lo que la unidad de fórmula muestra uno de cada uno. Los símbolos químicos para el sodio y el cloro son Na y Cl, respectivamente, por lo que la unidad de fórmula se escribe como NaCl.
Muchos compuestos iónicos son un poco más complejos, por ejemplo, el óxido de aluminio. Aquí, el oxígeno busca dos electrones y el aluminio quiere dar tres. Por tanto, pueden formar un compuesto estable con la unidad de fórmula Al2O3. El número de átomos de un elemento en cualquier tipo de fórmula química aparece subíndice y a la derecha del símbolo de ese elemento. Si solo hay un átomo presente, se omite el número con subíndice.
Compuestos Covalentes
Aunque los compuestos y sustancias covalentes a menudo forman moléculas distintas e independientes, también pueden formar estructuras cristalinas. Por ejemplo, el dióxido de silicio, también conocido como sílice, puede formar cristales. Estos se conocen comúnmente como cuarzo y, como la sal, constan de una gran cantidad de dos átomos diferentes, en este caso, silicio y oxígeno, pero unidos por enlaces covalentes. Dado que la proporción de átomos de oxígeno a silicio es 2: 1, el cuarzo tiene la unidad de fórmula SiO2.
Términos relacionados
Hay un par de otros términos relacionados que pueden causar cierta confusión. La fórmula empírica es un término más general para la proporción más simple de elementos en un compuesto, ya sea iónico o covalente, cristalino o no. En un compuesto cristalino, es lo mismo que la unidad de fórmula, pero el término también se aplica a moléculas covalentes no cristalinas autocontenidas. La fórmula molecular es el número real de átomos de cada elemento en una molécula covalente autónoma y no se aplica a los compuestos iónicos, ya que estos no forman moléculas distintas.
En los compuestos iónicos, la unidad de fórmula tiende a usarse para mostrar la proporción más simple de átomos, mientras que en los compuestos covalentes no cristalinos, el término habitual para esto es la fórmula empírica. Por ejemplo, los compuestos de carbono-hidrógeno acetileno y benceno contienen el mismo número de carbono que los átomos de hidrógeno y, por lo tanto, ambos tienen la fórmula empírica CH. Sin embargo, la fórmula molecular del acetileno es C2H2, mientras que la del benceno es C6H6. Estos son compuestos muy diferentes, con diferentes propiedades.
En muchos compuestos covalentes, la fórmula empírica y la fórmula molecular son las mismas. En el agua, por ejemplo, ambos son H2O. Sin embargo, esto rara vez ocurre con los compuestos orgánicos, que pueden ser muy complejos. En estos compuestos, a menudo existe más de una posibilidad para la misma proporción de elementos, como ya se señaló con el acetileno y el benceno. A veces hay muchas variaciones diferentes.
En muchos casos, incluso la fórmula molecular no cuenta toda la historia. Por ejemplo, la glucosa y la fructosa, dos tipos diferentes de azúcar, tienen la misma fórmula molecular, C6H12O6. Sin embargo, los átomos de hidrógeno y oxígeno están dispuestos de forma ligeramente diferente, lo que confiere a los dos compuestos propiedades ligeramente diferentes. La fórmula empírica de la glucosa y la fructosa es CH2O.
Determinación de la unidad de fórmula para un compuesto
En muchos casos, todo lo que se requiere para encontrar la unidad de fórmula de un compuesto iónico y de algunos compuestos covalentes cristalinos simples es saber cuántos enlaces simples pueden formar los elementos. En el caso de los metales, esta es la cantidad de electrones que pueden proporcionar, mientras que en los no metales es la cantidad de electrones que pueden aceptar o, en el caso de los compuestos covalentes, compartir. Esto se conoce como número de oxidación. Normalmente es positivo en los metales, que pierden electrones cargados negativamente al formar compuestos, y negativo en los no metales, que ganan electrones, al menos cuando se combinan con metales.
Volviendo al ejemplo del óxido de aluminio, el aluminio tiene un número de oxidación de +3, mientras que el oxígeno tiene un número de oxidación de -2. Para encontrar la unidad de fórmula para el óxido de aluminio, estos números simplemente se intercambian para dar un compuesto con tres átomos de oxígeno por cada dos de aluminio: Al2O3. El mismo procedimiento funciona para muchos otros compuestos iónicos y para algunos compuestos covalentes simples. Sin embargo, existen complicaciones, porque algunos elementos pueden tener más de un número de oxidación, dependiendo de las circunstancias. El hierro, por ejemplo, puede ser +2 o +3, y muchos no metales pueden tener múltiples números de oxidación, que pueden ser positivos en algunos compuestos covalentes.