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Física y Química 3.º ESO · Números de oxidación y sustancias simples

Fórmulas de las sustancias simples

Objetivo: Al terminar, sabrás escribir la fórmula de las sustancias simples más usuales: gases nobles, moléculas diatómicas como el O₂ o el N₂, el ozono, el fósforo y el azufre, y los metales.

Explicación

¿Qué es una sustancia simple?

Una sustancia simple está formada por átomos de un solo elemento. Su fórmula tiene un único símbolo, con o sin subíndice. Según cómo se agrupan sus átomos, hay tres casos:

1. Átomos sueltos: los gases nobles

Los gases nobles ya tienen la última capa completa y no se unen ni entre ellos. Su fórmula es solo el símbolo: helio $\text{He}$ , neón $\text{Ne}$ , argón $\text{Ar}$ , kriptón $\text{Kr}$ , xenón $\text{Xe}$ , radón $\text{Rn}$ .

2. Moléculas

Muchos no metales forman moléculas de varios átomos iguales. El subíndice dice cuántos átomos tiene cada molécula.

Sustancia	Fórmula	Estado a temperatura ambiente
hidrógeno	$\text{H}_2$	gas
nitrógeno	$\text{N}_2$	gas
oxígeno	$\text{O}_2$	gas
flúor	$\text{F}_2$	gas
cloro	$\text{Cl}_2$	gas (amarillo verdoso)
bromo	$\text{Br}_2$	líquido (rojo pardo)
yodo	$\text{I}_2$	sólido (gris violáceo)
ozono	$\text{O}_3$	gas
fósforo blanco	$\text{P}_4$	sólido
azufre	$\text{S}_8$	sólido (amarillo)

Truco: las siete sustancias diatómicas (de dos átomos) son el hidrógeno y los no metales que en la tabla periódica dibujan un 7: N, O, F en horizontal y F, Cl, Br, I bajando por el grupo 17.

3. Redes de átomos: metales, carbono y silicio

Los metales forman cristales con muchísimos átomos, sin moléculas. Se escriben solo con el símbolo: hierro $\text{Fe}$ , cobre $\text{Cu}$ , aluminio $\text{Al}$ , oro $\text{Au}$ , sodio $\text{Na}$ , mercurio $\text{Hg}$ (líquido). Lo mismo ocurre con el carbono ( $\text{C}$ : diamante y grafito) y el silicio ( $\text{Si}$ ).

Un mismo elemento, varias sustancias

El oxígeno forma dos sustancias simples distintas: el oxígeno que respiramos, $\text{O}_2$ , y el ozono, $\text{O}_3$ . El carbono forma el diamante y el grafito. Son formas alotrópicas del elemento.

Fórmula, coeficiente y número de oxidación

$\text{O}$ : un átomo de oxígeno (suelto, no es como está en el aire).
$\text{O}_2$ : una molécula de oxígeno (2 átomos unidos).
$2\,\text{O}$ : dos átomos de oxígeno sueltos.
$2\,\text{O}_2$ : dos moléculas de oxígeno (4 átomos en total).

En todas las sustancias simples, el número de oxidación es 0: los átomos son iguales y ninguno gana ni pierde electrones.

Puntos clave

Sustancia simple: un solo elemento; su fórmula tiene un solo símbolo.
Gases nobles y metales: solo el símbolo (He, Ar, Fe, Cu).
Diatómicas: $\text{H}_2$ , $\text{N}_2$ , $\text{O}_2$ , $\text{F}_2$ , $\text{Cl}_2$ , $\text{Br}_2$ , $\text{I}_2$ .
Otras moléculas: ozono $\text{O}_3$ , fósforo blanco $\text{P}_4$ , azufre $\text{S}_8$ .
El subíndice indica los átomos de una molécula; el número delante (coeficiente), cuántas moléculas hay.
En las sustancias simples el número de oxidación es 0.

Errores frecuentes

ErrorEscribir $\text{O}$ , $\text{N}$ o $\text{Cl}$ para referirse al gas oxígeno, nitrógeno o cloro.
Cómo corregirloEstos gases están formados por moléculas de dos átomos: $\text{O}_2$ , $\text{N}_2$ , $\text{Cl}_2$ .
ErrorPoner subíndice a los metales o a los gases nobles ( $\text{Fe}_2$ , $\text{He}_2$ , $\text{Na}_2$ ).
Cómo corregirloLos gases nobles son átomos sueltos y los metales forman redes sin moléculas: se escriben solo con el símbolo.
ErrorConfundir $2\,\text{O}$ con $\text{O}_2$ .
Cómo corregirloEl número delante (coeficiente) cuenta unidades separadas; el subíndice, los átomos unidos en una molécula.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. El aire que respiras situación real
El aire seco contiene, aproximadamente, un 78 % de nitrógeno, un 21 % de oxígeno, casi un 1 % de argón y un 0,04 % de dióxido de carbono ( $\text{CO}_2$ ). a) Escribe la fórmula de las tres primeras sustancias. b) ¿Cuáles de las cuatro son sustancias simples? c) ¿Es el aire una sustancia simple?

Resolución
a) Nitrógeno: $\text{N}_2$ (diatómico). Oxígeno: $\text{O}_2$ (diatómico). Argón: $\text{Ar}$ (gas noble, átomos sueltos).

b) $\text{N}_2$ , $\text{O}_2$ y $\text{Ar}$ tienen un solo elemento: son sustancias simples. El $\text{CO}_2$ tiene dos elementos (C y O): es un compuesto.

c) No. El aire no es una sustancia, sino una mezcla de varias sustancias.
Ejemplo 2. Modelos de bolas visual (modelos de partículas)
En cuatro dibujos de partículas aparece lo siguiente (cada bola es un átomo y todas las de un dibujo son del mismo elemento):
- Dibujo A: grupos de 3 bolas de oxígeno unidas.
- Dibujo B: bolas de helio sueltas, separadas.
- Dibujo C: muchísimas bolas de cobre ordenadas en filas, todas en contacto.
- Dibujo D: anillos de 8 bolas de azufre.
Escribe la fórmula de cada sustancia y di qué tipo de partículas tiene.
Resolución
- A: moléculas de 3 átomos de oxígeno → ozono, $\text{O}_3$ .
- B: átomos sueltos de un gas noble → $\text{He}$ .
- C: red de átomos de un metal (sin moléculas) → $\text{Cu}$ .
- D: moléculas de 8 átomos de azufre → $\text{S}_8$ .
El subíndice solo aparece cuando hay moléculas: indica cuántos átomos tiene cada una.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Escribe la fórmula de: a) hidrógeno; b) nitrógeno; c) helio; d) cobre; e) cloro; f) ozono; g) sodio; h) yodo.

Ver solución
a) H₂. b) N₂. c) He. d) Cu. e) Cl₂. f) O₃. g) Na. h) I₂.
a) $\text{H}_2$ (diatómica). b) $\text{N}_2$ (diatómica). c) $\text{He}$ (gas noble). d) $\text{Cu}$ (metal). e) $\text{Cl}_2$ (diatómica). f) $\text{O}_3$ . g) $\text{Na}$ (metal). h) $\text{I}_2$ (diatómica).
2. Media
Explica qué representa cada una de estas expresiones y cuántos átomos de oxígeno hay en cada caso: a) $\text{O}$ ; b) $\text{O}_2$ ; c) $2\,\text{O}$ ; d) $\text{O}_3$ ; e) $3\,\text{O}_2$ .

Ver solución
a) 1 átomo (1 O). b) 1 molécula de oxígeno (2 O). c) 2 átomos sueltos (2 O). d) 1 molécula de ozono (3 O). e) 3 moléculas de oxígeno (6 O).
a) Un átomo de oxígeno: 1 átomo. b) Una molécula de oxígeno: 2 átomos unidos. c) Dos átomos sueltos: 2 átomos. d) Una molécula de ozono: 3 átomos unidos. e) Tres moléculas de oxígeno: $3 \cdot 2 = 6$ átomos.
3. Media
En el armario de reactivos del laboratorio hay: un frasco con un líquido rojo pardo de vapores muy tóxicos (bromo), un frasco con cristales gris violáceo (yodo), un termómetro antiguo con un metal líquido (mercurio) y un trozo de un metal blando que se guarda en aceite (sodio). Escribe la fórmula de cada sustancia y di si está formada por moléculas o no.
Ver solución
Br₂ (moléculas), I₂ (moléculas), Hg (no: metal), Na (no: metal).
- Bromo: $\text{Br}_2$ , moléculas diatómicas (es el único no metal líquido).
- Yodo: $\text{I}_2$ , moléculas diatómicas.
- Mercurio: $\text{Hg}$ , metal (el único líquido): red de átomos, sin moléculas.
- Sodio: $\text{Na}$ , metal: red de átomos.

Para practicar más

1. Fácil
Clasifica en sustancias simples o compuestos y escribe la fórmula de las simples: argón, agua ( $\text{H}_2\text{O}$ ), aluminio, ozono, sal común ( $\text{NaCl}$ ), flúor, oro, fósforo blanco.
Ver solución
Simples: Ar, Al, O₃, F₂, Au, P₄. Compuestos: agua y sal común.
- Simples: argón $\text{Ar}$ ; aluminio $\text{Al}$ ; ozono $\text{O}_3$ ; flúor $\text{F}_2$ ; oro $\text{Au}$ ; fósforo blanco $\text{P}_4$ .
- Compuestos (dos elementos): agua $\text{H}_2\text{O}$ y sal común $\text{NaCl}$ .
2. Media
Encuentra los errores y corrígelos: a) gas nitrógeno: $\text{N}$ ; b) hierro: $\text{Fe}_2$ ; c) helio de un globo: $\text{He}_2$ ; d) cloro: $\text{Cl}_2$ ; e) azufre: $\text{S}_2$ ; f) yodo: $\text{I}$ .

Ver solución
a) N₂. b) Fe. c) He. d) Correcta. e) S₈. f) I₂.
a) El nitrógeno es diatómico: $\text{N}_2$ . b) Metal, sin moléculas: $\text{Fe}$ . c) Gas noble, átomos sueltos: $\text{He}$ . d) Correcta: $\text{Cl}_2$ . e) El azufre forma moléculas de 8 átomos: $\text{S}_8$ . f) Diatómico: $\text{I}_2$ .
3. Difícil
En verano, en Madrid a veces se avisa de concentraciones altas de ozono cerca del suelo. El ozono se forma a partir del oxígeno del aire con ayuda de la luz del sol. a) Escribe las fórmulas del oxígeno y del ozono. b) ¿Son el mismo elemento? ¿Son la misma sustancia? c) ¿Qué número de oxidación tiene el oxígeno en cada una? d) ¿Cuántas moléculas de oxígeno contienen los mismos átomos que 2 moléculas de ozono?

Ver solución
a) O₂ y O₃. b) Mismo elemento, sustancias distintas (formas alotrópicas). c) 0 en las dos. d) 3 moléculas de O₂.
a) Oxígeno $\text{O}_2$ ; ozono $\text{O}_3$ . b) Los dos están formados solo por átomos de oxígeno (mismo elemento), pero sus moléculas son distintas y tienen propiedades diferentes: son sustancias distintas (formas alotrópicas del oxígeno). c) Son sustancias simples: número de oxidación 0 en las dos. d) $2\,\text{O}_3$ tienen $2 \cdot 3 = 6$ átomos de O, que son los mismos que en $3\,\text{O}_2$ ( $3 \cdot 2 = 6$ ).