Cationes: los iones con carga positiva y cómo se forman
Un catión es un ion con carga positiva. Se forma cuando un átomo neutro pierde uno o más electrones.
Este repaso explica cómo se forman los iones positivos, cómo se escriben y dónde aparecen. Incluye dos ejercicios resueltos y el encuadre de los seis países de la región.
El apartado final reúne las fuentes oficiales consultadas. El texto sigue el orden habitual del examen: definición, formación, notación y aplicación.
Qué es un catión: los iones positivos y su carga
Un átomo neutro tiene el mismo número de protones y de electrones. Las cargas opuestas se compensan y la carga total es cero.
Si el átomo pierde electrones, quedan más protones que electrones. Entonces aparece una carga positiva y la partícula se llama catión.
El catión es, por lo tanto, un ion positivo. Su carga se escribe con un signo más en superíndice.
El sodio neutro tiene 11 protones y 11 electrones. Si pierde un electrón, queda con 11 protones y 10 electrones.
Esa partícula es el catión sodio y se escribe Na⁺. Queda un protón sin compensar y por eso su carga es 1+.
La carga del catión indica cuántos electrones se perdieron. Una carga 1+ señala la pérdida de un solo electrón.
El catión más simple es el ion hidrógeno, que se escribe H⁺. Muchos ácidos lo liberan al disolverse en agua.
El caso inverso, cuando el átomo gana electrones, produce iones negativos. Ese tema tiene su propio desarrollo y no se adelanta aquí.
La pérdida de electrones: cómo se forma un catión
La formación de un catión depende de la pérdida de electrones. Los electrones son las partículas más externas del átomo y las que se transfieren.
Un átomo pierde electrones cuando otro átomo los capta. La transferencia ocurre durante una reacción química o al disolverse una sal.
El número de electrones perdidos determina la carga del catión. Perder uno da carga 1+; perder dos da carga 2+.
El calcio neutro tiene 20 protones y 20 electrones. Si pierde dos electrones, queda con 20 protones y 18 electrones.
El resultado es el catión calcio, que se escribe Ca²⁺. La carga 2+ indica los dos electrones que se perdieron.
El proceso se repite en toda reacción con transferencia de electrones. El átomo que cede electrones queda con carga positiva.
No todos los átomos ceden electrones con la misma facilidad. Los metales los ceden con más facilidad que los no metales.
Por qué los metales pierden electrones: la estabilidad
Los átomos pierden o ganan electrones buscando una configuración más estable. Esa configuración se parece a la del gas noble más cercano.
Un metal alcalino del grupo 1 pierde un electrón y forma un catión 1+. El sodio y el potasio son ejemplos conocidos.
Un metal alcalinotérreo del grupo 2 pierde dos electrones y forma un catión 2+. El magnesio y el calcio pertenecen a ese grupo.
El aluminio pierde tres electrones y forma un catión 3+. Su ion se escribe Al³⁺ y lleva el nombre de ion aluminio.
La posición del elemento en la tabla periódica anticipa su carga habitual. La tabla periódica permite predecir muchas de esas cargas.
Conviene recordar que la tendencia no vale para todos los elementos. Algunos metales pueden formar más de un catión distinto.
El núcleo no cambia: el catión conserva sus protones
Durante la formación de un catión solo se mueven los electrones. El núcleo permanece intacto.
Los protones y los neutrones siguen dentro del núcleo en sus mismas cantidades. Por eso el elemento conserva su identidad.
Un catión de sodio sigue siendo sodio y un catión de calcio sigue siendo calcio. El elemento no se transforma en otro.
Lo único que cambia es el número de electrones y, con él, la carga total. El número atómico no se altera.
En las reacciones químicas ordinarias el núcleo permanece inalterado. La identidad del elemento se conserva intacta.
Esa es la razón por la que los iones de un mismo elemento comparten su número de protones. Cambian sus electrones, no su núcleo.
Cómo se escribe la carga positiva: la notación n+
La carga de un catión se escribe a la derecha del símbolo y en superíndice. El signo más señala la carga positiva.
Si se perdió un solo electrón, la carga se escribe 1+. El catión sodio se escribe Na⁺.
Si se perdieron dos electrones, la carga se escribe 2+. El catión magnesio se escribe Mg²⁺.
Con tres electrones perdidos, la carga se escribe 3+. El catión aluminio se escribe Al³⁺.
El número de la carga va antes del signo. Escribir 2+ es lo correcto, mientras que el orden invertido no sigue la convención.
El símbolo del elemento tampoco cambia al formarse el catión. Solo se añade la carga en el superíndice.
Cómo se nombran los cationes
El nombre de un catión metálico es el mismo del metal que lo origina. El catión de calcio se llama ion calcio.
Así, Na⁺ es el ion sodio, Mg²⁺ es el ion magnesio y K⁺ es el ion potasio. El nombre no depende de la carga.
Algunos metales forman más de un catión, con cargas diferentes. En esos casos hace falta distinguir un ion de otro.
La carga se añade entonces con un número romano entre paréntesis. El hierro forma el ion hierro(II) y el ion hierro(III).
Esta convención se aplica a la mayoría de los metales de transición. También aparece en algunos metales del grupo principal.
El cobre forma dos cationes distintos, igual que el hierro. Se nombran ion cobre(I) y ion cobre(II).
No todos los cationes están formados por un solo átomo. El ion amonio reúne nitrógeno e hidrógeno con carga positiva.
Cómo se combina la carga del catión en una fórmula
Un compuesto iónico siempre es eléctricamente neutro. El total de cargas positivas debe igualar al total de cargas negativas.
La fórmula del compuesto depende de la carga del catión y de la carga del ion negativo. Las dos cargas tienen que compensarse.
Con el catión sodio y el ion cloruro, una carga positiva compensa una negativa. La fórmula del compuesto es NaCl.
Con el catión calcio, cuya carga es 2+, se necesitan dos iones cloruro. La fórmula del compuesto es CaCl₂.
Con el catión aluminio y el ion óxido también se busca el equilibrio. Dos cationes de carga 3+ y tres iones de carga 2− suman seis cargas de cada signo.
La fórmula resultante es Al₂O₃. El zafiro es un ejemplo natural de ese compuesto de aluminio y oxígeno.
La fórmula muestra entonces la proporción entre los iones. El compuesto no está formado por moléculas separadas.
Este paso es distinto de nombrar el catión. Aquí solo interesa que la carga total del compuesto quede en cero.
Cómo contar electrones y protones en un catión
El número de protones es el número atómico del elemento. Ese dato no cambia cuando se forma el catión.
El número de electrones se obtiene al restar la carga. La cuenta es número atómico menos carga del ion.
En un catión 1+ se resta uno; en uno 2+, se restan dos; en uno 3+, se restan tres.
La tabla siguiente reúne cationes frecuentes con su carga y sus partículas. Todos ellos proceden de metales de los primeros grupos.
| Catión | Carga | Protones y electrones |
|---|---|---|
| Na⁺ | 1+ | 11 protones y 10 electrones |
| Mg²⁺ | 2+ | 12 protones y 10 electrones |
| Al³⁺ | 3+ | 13 protones y 10 electrones |
| K⁺ | 1+ | 19 protones y 18 electrones |
| Ca²⁺ | 2+ | 20 protones y 18 electrones |
La resta siempre da un número menor que el de protones. Un catión nunca tiene más electrones que protones.
Este cálculo también funciona al revés. Si se conoce la carga y los electrones, se suman para hallar el número atómico.
La tabla periódica aporta el número atómico de cada elemento. Con ese dato y la carga, el cálculo queda completo.
Dónde aparecen los cationes: sales, disoluciones y el cuerpo
Los cationes aparecen en muchos materiales de la vida diaria. Tres campos ayudan a reconocerlos.
Cuando un metal se combina con un no metal, suele formarse un compuesto iónico. En él, los cationes y los aniones se atraen con fuerzas electrostáticas.
La sal de mesa es el ejemplo mejor conocido. Está formada por iones sodio y iones cloruro en la proporción de uno por uno.
En estado sólido, un compuesto iónico no conduce la electricidad porque sus iones no pueden fluir. Al fundirse, los iones se mueven y entonces sí conduce.
En el agua, muchas sales se separan en sus iones. Los iones libres de una disolución se comportan como un medio conductor.
En el cuerpo humano, varios cationes cumplen funciones esenciales. El sodio, el potasio, el calcio y el magnesio son electrólitos.
Los electrólitos son minerales con carga eléctrica presentes en la sangre y en otros líquidos corporales. Afectan la función nerviosa y muscular.
Varios de esos cationes son metales de los primeros grupos de la tabla periódica. El sodio, el magnesio y el calcio abundan en las sales de uso común.
La tabla siguiente resume los tres campos con un ejemplo y una cifra verificable.
| Campo | Ejemplo | Qué ocurre con el catión |
|---|---|---|
| Sales | Cloruro de sodio, la sal de mesa | El catión sodio se une al anión cloruro y forma un sólido que funde a 801 °C |
| Disoluciones | Agua con sales disueltas | Los iones quedan libres y hacen conductora la disolución |
| Metales | Cobre y hierro en contacto con un ácido | El metal puede ceder electrones y pasar a la disolución como catión |
| Cuerpo humano | Sodio y potasio en la sangre | Participan en la función nerviosa y muscular como electrólitos |
Los cationes no se agotan en estos tres campos. También aparecen en los minerales, en los fertilizantes y en muchos productos de limpieza.
Varios compuestos iónicos de uso diario llevan cationes. El yoduro de potasio se añade a la sal yodada.
El fluoruro de sodio es un ingrediente de la pasta de dientes. El carbonato de calcio aparece en los antiácidos.
Los minerales de los huesos también contienen cationes. El fosfato de calcio es uno de ellos.
Los electrólitos se pierden con el sudor y hay que reponerlos con líquidos que los contengan. El agua sola no aporta una cantidad suficiente de electrólitos.
Los cationes en el currículo de los seis países
Los seis países abordan los iones en momentos distintos de la educación básica. El tema aparece siempre dentro de las ciencias naturales.
- Costa Rica: en octavo año se pide reconocer elementos como átomos neutros, cationes, aniones e isótopos con el cálculo del número de electrones.
- Colombia: los estándares del grupo de octavo y noveno piden explicar la estructura de los átomos y su relación con los enlaces; los aprendizajes por grado incluyen los enlaces iónicos.
- Chile: el temario de octavo básico relaciona las propiedades de los elementos con los patrones de sus átomos y con su capacidad de formar enlaces iónicos.
- Ecuador: el átomo y la cesión o ganancia de electrones no figuran en el currículo de octavo de básica superior; aparecen en básica media y en la química del bachillerato.
- México: los compuestos iónicos y moleculares se estudian en química de tercer grado de secundaria, no en el grado anterior.
- Perú: el programa curricular de secundaria incluye el papel de la carga eléctrica en la estructura de los átomos e iones.
El encuadre cambia de un país a otro, pero el objeto de estudio es el mismo. Conocer los símbolos y la tabla periódica de los elementos ayuda a leer las cargas.
Varias piezas de esta serie amplían el tema. Los compuestos químicos y su nomenclatura se estudian en otra entrada.
La revisión del currículo permite ubicar el tema en cada sistema educativo. Así se estudia con el mismo enfoque y sin depender de un solo país.
Ejercicio resuelto 1: los electrones del ion aluminio
Situación: el aluminio tiene número atómico 13 y forma un catión con carga 3+. Hay que averiguar cuántos electrones conserva.
Se busca además cuántos electrones conserva un átomo de número atómico 15 si forma un catión 3+.
- Paso 1. El número atómico del aluminio es 13, así que el átomo neutro tiene 13 electrones.
- Paso 2. La carga del catión es 3+, de modo que se pierden tres electrones.
- Paso 3. La resta es 13 menos 3, que da 10 electrones.
- Paso 4. El ion de aluminio se escribe Al³⁺ y conserva 10 electrones.
- Paso 5. Para el segundo átomo, el número atómico es 15.
- Paso 6. La resta es 15 menos 3 y da 12 electrones.
Respuesta: el ion Al³⁺ conserva 10 electrones y el catión 3+ de número atómico 15 conserva 12 electrones.
Ejercicio resuelto 2: las partículas del ion calcio
Situación: el calcio tiene número atómico 20 y número másico 40. Forma un catión con carga 2+.
Hay que contar el total de partículas fundamentales del ion y los neutrones del ion magnesio con carga 2+.
- Paso 1. El número atómico 20 indica 20 protones en el núcleo.
- Paso 2. Los neutrones son la diferencia entre el número másico y el número atómico.
- Paso 3. La resta es 40 menos 20, que da 20 neutrones.
- Paso 4. La carga 2+ indica la pérdida de dos electrones, así que quedan 18 electrones.
- Paso 5. El total de partículas es la suma de protones, neutrones y electrones.
- Paso 6. La suma es 20 más 20 más 18, es decir 58 partículas.
- Paso 7. Para el magnesio, el número másico es 24 y el atómico es 12.
- Paso 8. Los neutrones son 24 menos 12, o sea 12 neutrones.
Respuesta: el ion Ca²⁺ tiene 58 partículas fundamentales y el ion Mg²⁺ tiene 12 neutrones.
Estrategias para el examen y errores frecuentes
Conclusión
Un catión es un ion de carga positiva que se forma al perder electrones. El núcleo conserva sus protones y sus neutrones.
La carga se escribe con el número y el signo en superíndice. El número de electrones se obtiene restando la carga al número atómico.
Los cationes aparecen en las sales, en las disoluciones acuosas y en los líquidos del cuerpo. Varios de ellos son electrólitos esenciales.
Los seis países estudian el tema en momentos distintos, pero con el mismo objeto. Conocer los cationes ayuda a leer la tabla periódica y los compuestos.
El siguiente paso es resolver los ejercicios sin mirar la solución. Después conviene repasar el tema en la estructura del átomo y sus partículas fundamentales.
Fuentes de Referencia:
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- Ministerio de Educación de Chile. (2023). Temario exámenes libres para niños, niñas y adolescentes: Octavo año de educación básica. Ayuda Mineduc. https://ayudamineduc.cl/sites/default/files/temario_basica_8deg_basico_uce.pdf
- Ministerio de Educación de Ecuador. (2019). Currículo de los niveles de educación obligatoria: Subnivel de básica superior. https://educacion.gob.ec/wp-content/uploads/downloads/2019/09/EGB-Superior.pdf
- Ministerio de Educación de Perú. (2016). Programa curricular de educación secundaria. https://www.minedu.gob.pe/curriculo/pdf/programa-curricular-educacion-secundaria.pdf
- Ministerio de Educación Nacional de Colombia. (2004). Formar en ciencias: ¡el desafío! Estándares básicos de competencias en ciencias naturales y ciencias sociales. https://www.mineducacion.gov.co/1780/articles-81033_archivo_pdf.pdf
- Ministerio de Educación Nacional de Colombia. (2016). Derechos Básicos de Aprendizaje: Ciencias Naturales. Colombia Aprende. https://www.colombiaaprende.edu.co/sites/default/files/files_public/2022-06/DBA_C.Naturales-min.pdf
- Ministerio de Educación Pública de Costa Rica. (2016). Programa de estudio de Ciencias: Tercer ciclo de la educación general básica. https://www.mep.go.cr/sites/default/files/media/ciencias3ciclo.pdf
- OpenStax. (2022). Compuestos iónicos y moleculares. En Química 2ed. Rice University. https://openstax.org/books/química-2ed/pages/2-6-compuestos-ionicos-y-moleculares
- OpenStax. (2022). Estructura atómica y simbolismo. En Química 2ed. Rice University. https://openstax.org/books/química-2ed/pages/2-3-estructura-atomica-y-simbolismo
- OpenStax. (2022). La tabla periódica. En Química 2ed. Rice University. https://openstax.org/books/química-2ed/pages/2-5-la-tabla-periodica
- OpenStax. (2022). Nomenclatura química. En Química 2ed. Rice University. https://openstax.org/books/química-2ed/pages/2-7-nomenclatura-quimica
- Secretaría de Educación Pública de México. (2024). Programa sintético de la Fase 6: Educación secundaria. https://educacionbasica.sep.gob.mx/wp-content/uploads/2024/06/Programa_Sintetico_Fase_6.pdf
Sigue estudiando: la masa atómica promedio y cómo se calcula y las reacciones químicas y la conservación de la materia.
