Hidratos

Definición de hidratos

Los hidratos suelen tener cantidades estequiométricas de agua. Esto significa que, en lugar de contener sólo pequeñas cantidades de agua, contienen una cantidad lo suficientemente grande como para ser comparable a la cantidad de otros elementos presentes en el compuesto.

La forma general de escribir hidratos es

$$AB\circ nH_2O$$

Donde AB es la fórmula de la parte no acuosa (anhidra) del complejo, y n es el número de moles de agua.

Por ejemplo, he aquí el sulfato de magnesio heptahidratado:

$$MgSO_4\circ 7H_2O$$

Aquí vemos que por cada mol de sulfato de magnesio (_MgSO4), hay 7 moles de agua.

Formación de hidratos

El agua está por todas partes, incluso en el aire en forma de vapor de agua. Cuando algunas sustancias químicas están expuestas al aire, pueden absorberla en su superficie (como una esponja) o incorporarla a su estructura.

Entonces, ¿cómo se incorpora el agua? Pues hay dos formas:

1. Se une a un centro metálico.
2. El agua cristaliza dentro del complejo.

Desglosemos esto:

Unirse a un centro metálico

La primera forma es uniéndose a un centro metálico. Utilicemos como ejemplo la sal de Epsom (_MgSO4). He aquí el aspecto de esa estructura sin agua:

Fig.1-Sal de Epsom anhidra

Ahora echemos un vistazo a cuando se añade/absorbe agua:

Fig.2-MgSO4 incorpora agua a su estructura

Aquí vemos que el agua se ha rodeado alrededor del centro metálico. En lugar de estar unidos el magnesio (^Mg2+) y el sulfato (^SO42-), lo están el complejo de magnesio y el ion sulfato.

El agua cristaliza dentro del complejo

A veces, en vez de unirse el agua al centro metálico, se une por enlace de hidrógeno al complejo metálico. El enlace de hidrógeno es una fuerza de atracción intermolecular, en la que el oxígeno parcialmente negativo es atraído por una especie con carga parcial o totalmente positiva y el hidrógeno parcialmente positivo es atraído por una especie con carga parcial o totalmente negativa.

Normalmente, los hidratos que tienen agua cristalizada dentro del complejo también tienen moléculas de agua unidas al centro metálico, como en el _FeSO4 - _7H2O, que se muestra a continuación:

Fig.3-Heptahidrato de sulfato de hierro (II)

Seis de las moléculas de agua (mostradas como la bola roja (oxígeno) y las dos bolas blancas (hidrógeno) están unidas al centro de hierro (naranja). Sin embargo, una de las moléculas de agua no está unida, sino que es atraída por el complejo metálico y el sulfato (bola amarilla (azufre) unido a los oxígenos) mediante enlace de hidrógeno.

Las moléculas de agua que no están unidas al centro metálico se denominan agua de hidratación o agua de cristalización.

Propiedades de los hidratos

La mayoría de las veces, puedes calentar el hidrato para eliminar el agua de hidratación. La estructura y la textura del compuesto anhidro, que es lo que queda tras el calentamiento, serán diferentes de las del hidrato. También puede tener un color diferente.

Por ejemplo, la muestra de abajo muestra sulfato de cobre (II) anhidro ganando agua para convertirse en sulfato de cobre (II) pentahidratado.

Fig.4-Sulfato de cobre (II) cambia de color (de blanco a azul) al tomar agua

En general, lo siguiente es cierto de cualquier compuesto anhidro hecho a partir de un hidrato:

1. Es fácil de disolver en agua (muy soluble en agua).
2. El color del compuesto anhidro será similar al color del hidrato original cuando se disuelva en agua, aunque el color haya cambiado al pasar del hidrato al compuesto anhidro.

A temperatura ambiente, la mayoría de los hidratos son estables. Sin embargo, algunos hidratos perderán su agua cuando la presión de vapor de un hidrato sea mayor que la presión de vapor del aire. Este proceso se denomina eflorescencia.

Otras sustancias pueden absorber agua del aire por sí mismas (se denominan higroscópicas). Algunas sustancias higroscópicas, como el _P2O5 y el _CaCl2 anhidro, se utilizan a menudo para "secar" líquidos y gases. Estas sustancias se denominan desecantes. Por eso suele haber paquetes de gel de sílice en el embalaje de un objeto, para evitar que absorba agua y se estropee.

Otras sustancias higroscópicas, como el NaOH sólido, absorben tanta agua del aire que se disuelven en agua. Estas cosas se llaman delicuescentes.

Fórmula de los hidratos

Entonces, ¿cómo sabemos cuánta agua hay incluso en estas sustancias? Para obtener la fórmula de un hidrato, comparamos los pesos del hidrato y del sólido anhidro. La masa de agua que se evaporó puede hallarse tomando la masa del hidrato original y restándole la masa del sólido seco:

$$m_{H_2O}=m_{Hydrate}-m_{Anhydrous\,solid}$$

El siguiente paso es dividir la masa del agua por su masa molar para obtener el número de moles:

$$n_{H_2O}=\frac{m_{H_2O}}{MM_{H_2O}}$$

$$n_{Anhidro,sólido}=\frac{m_{Anhidro,sólido}}{MM_{Anhidro,sólido}}$$

Por último, dividimos la cantidad molar mayor entre la cantidad molar menor para obtener la relación entre el sólido anhidro y el agua.

$$x=\frac{n_{H_2O\,or\,Anhydrous\,solid}}{n_{Anhydrous\,solid\,or\,H_2O}}$$

Para entenderlo mejor, trabajemos con un ejemplo.

Tipos de hidratos

Hay tres tipos de hidratos

1. Inorgánicos.
2. Orgánicos.
3. Hidratos gaseosos (o clatratos).

Hidratos inorgánicos: Los hidratos inorgánicos son los que hemos estado discutiendo hasta ahora. En los hidratos inorgánicos, las moléculas de agua están muy poco unidas al compuesto y no se produce ninguna reacción química. La molécula o moléculas de agua pueden extraerse fácilmente del compuesto, por ejemplo calentándolo. "Anhidro" se refiere a un hidrato inorgánico que ha perdido todas sus moléculas de agua. La mayoría de los hidratos están formados por hidratos inorgánicos.

Hidratos orgánicos: Los hidratos orgánicos se forman por hidratación, que es la adición de agua o de sus componentes a un compuesto orgánico mediante una reacción química. Al igual que ocurre con los hidratos inorgánicos, algunos hidratos orgánicos pueden formarse sin alterar la química de la molécula base (es decir, agua de hidratación)

Hidratos de gas (clatratos): En los hidratos de gas, la molécula de gas, que suele ser metano, se mantiene en su lugar gracias a un armazón suelto formado por moléculas de agua. La "jaula" de moléculas de agua se denomina huésped, mientras que el gas que hay en su interior se llama molécula invitada.

A continuación se muestra un ejemplo de hidrato de metano:

Fig.5-Un hidrato de gas metano

Las moléculas de agua (en azul) forman una jaula con un gran vacío en el centro para que lo ocupe el "huésped". En este caso, la molécula invitada es metano (_CH4, en rojo (hidrógeno) y negro (carbono)).

Sistema de denominación de los hidratos

A la hora de escribir fórmulas y dar nombres a los hidratos inorgánicos, hay que seguir una serie de reglas. Como las moléculas de agua no forman parte de la estructura real del compuesto, esto cambia la forma de escribir las fórmulas químicas de los hidratos inorgánicos.

Nombrar los hidratos es relativamente sencillo. Primero escribes el nombre del compuesto principal como harías habitualmente. Después, escribes un prefijo + hidrato. El prefijo se basa en el número de moles de agua presentes por 1 mol del sólido.

La tabla siguiente muestra los prefijos para distintos números de moléculas de agua.

Algunos ejemplos de nombres de hidratos y sus fórmulas:

• _CuSO4⋅5H2O: Sulfato de cobre(II) pentahidratado (Los números romanos del nombre indican la carga del metal. Aquí, el ion cobre tiene una carga de 2+).

• _CoCl2-6H2O: Hexahidrato de cloruro de cobalto(II).

• _BeSO4 ⋅ _4H2O: Tetrahidrato de sulfato de berilio.

Hidratos de uso común

Ahora que ya hemos tratado los conceptos básicos de los hidratos, vamos a echar un vistazo a algunos hidratos comunes que puedes ver en tu vida cotidiana. Éstos son

1. Sales de Epsom.

2. Sosa para lavar.

3. Bórax.

4. Sulfato de cobre (II).

5. Cloruro de cobalto (II).

Sales de Epsom

Fig.6-Sales de Epsom

Fórmula: _MgSO4 ⋅ _7H2O

Utilización: Las sales de Epsom pueden utilizarse para aliviar los músculos doloridos, como sales de baño, para bajar la tensión arterial sistólica y para ayudar a crecer a las plantas añadiéndolas a la tierra.

Sosa lavante

Fig.7-Sosa de lavar

Nombre Hidrato: Carbonato sódico decahidratado.

Fórmula: _{Na2CO3⋅10H2O}

Utilización: La sosa fue uno de los primeros tipos de jabón. Incluso ahora se utiliza a veces como limpiador. La sosa es eflorescente, lo que significa que a temperatura ambiente pierde parte de sus moléculas de agua.

Bórax

Fig.8-Bórax

Nombre del hidrato: Tetraborato de sodio decahidratado.

Fórmula: _{Na2B4O7⋅10H2O}

El bórax se utiliza en muchos productos de limpieza, cosméticos, esmaltes y retardantes del fuego.

Sulfato de cobre (II)

Fig.9-Sulfato de cobre (II)

Nombre del hidrato: Sulfato de cobre (II) pentahidratado.

Fórmula: _CuSO4⋅5H2O

Uso: Cuando el sulfato de cobre se mezcla con agua, adquiere un color azul brillante y se ha utilizado como colorante en pinturas y cerámica. También se ha utilizado como fungicida y herbicida.

Cloruro de Cobalto

Fig.10- Cloruro de Cobalto (II)

Nombre del hidrato: Cloruro de cobalto (ll) hexahidratado.

Fórmula: CoCl₂⋅ 6H₂O

Utilización: Cuando tiene agua, el cloruro de cobalto es morado, pero cuando no tiene agua, es azul claro. Los papeles recubiertos de cloruro de cobalto se venden para saber si algo está mojado. Los papeles son azules mientras están en el frasco, pero si hay humedad, se vuelven rosas al sacarlos.