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Química, novena edición [raymond chang]

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Antony Corado
Antony Corado

Química de Raymond Chang novena edición. El famoso Libro muy pedido en las universidades en carreras como medicina, ciencias agrícolas, química farmacéutica, contiene mas que los conocimientos básicos acerca de la química, química orgánica e inorgánica

Educación
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N ovena edición RAYMOND HANG ~R$~~~454 i,Ti/~AN G CA02330~~/~ ~~"II'/ 111/1/11111/1//11/ //111111111111111 Q UIMI
1 4 4B 40 5 24 7 7B Radio (226) Francia (223) 25 r--- 9 8B 11 lB Actinio (227) ~ 57 89 Ae 138.9 88.91 39 Niobio (257) Rul!Jerfordio 104 Rf (262) Bohrio Uranio 238.0 Protactinio U (231) Tono 91 Pa 90 Th 144.2 Neodimio Ceno 92 232.0 (237) Neptunio 93 Np (147) Pro""io 61 Pm (265) Hassio 108 Hs 107 Bh 60 Nd 140.9 Iridio (242) Plutonio 94 Pu 150.4 Samario 62 Sm (266) Meitneno 109 Mt 192.2 Osmio 190.2 Renio 102.9 Rodío Rh Ir 76 44 77 (243) Amcricio 95 Am 152.0 Europio - 63 Eu ,. (269) DarmsladlÍo 110 Ds 195.1 Platino Pt 12 2B Mercurio Oro (247) Cuno 96 Cm 157.3 Gadolinio 64 Gd . (272) R~ntgenio 111 Rg (247) Berielio Bk 158.9 Temio .65 Tb 112 200.6 79 Hg 112.4 Cadmio 48 Cd 65.39 Zinc Zn Au 197.0 78 Plata 107.9 Paladio 47 Ag 63.55 106.4 45 46 Pd Níquel 58.69 Cobre 2 278 Ni Cobalto Co 58.93 26 Os 10l.! Rutenio Ru 55.85 Hierro Fe 186.2 Praseodimio 140.1 43 75 Re (98) Tecnedo Te 59 Pr (263) Seaborgio 106 Sg 183.9 Tungsteno 74 W 95.94 Molibdeno 42 Mo 54.94 Manganeso Mn 58 Ce (260) Dubnío 105 Db Tántalo 180.9 72 Hf Halnio 73 Ta 91.22 178.5 92.91 Zirconio 41 Nb 52.00 Cromo Cr 29 Cu 10 -----¡ 30 97 Silicio S Arsénico (249) Califomío Cf 162.5 Disprosio 66 Dy (254) Einstenio 98 99 Es 164.9 Holmio 67 Ho (253) Fennio 100 Fm 167.3 Erbio Er 68 (115) (113) 114 Bismulo 209.0 Plomo 207.2 204.4 !terbío 173".0 (256) (254) Nobelio 101 Md Mendelevio 102 No 168.9 Tulio Tm 20.18 Neón 10 Ne 39.95 Argón 17 Ar .,. Helio 4.003 (257) uUTencio 1O~ Lr 175.0 Laecio 71 Lu (118) (222) Radón 85 86 Rn 131.3 Xenón 54 Xe 83.80 Cri~ón 35 36 Kr (U7) (210) Aslato At 69 70 Yb 84 116 (210) Polonio Po 83 Bi 82 81 Pb 126.9 Yodo Telurio 127.6 121.8 Es~ño 79.90 Bromo Br 35.45 Cloro CI 52 53 I 34 16 9 19.00 Aúor F 17 7A Te Antimonio Sb 78.96 Selenio Se 118.7 50 Sn 74.92 72.59 51 33 As 32.07 Fósforo 30.97 Azufre P 16.00 Oxígeno 14.01 Nill1igen~ Gennanio 31 32 Ge 28.09 15 8 O 16 6A 7 N Talio 80 TI 114.8 lodio 49 In 69.72 Galio Ga 26.98 Aluminio 15 SA 2 He 18 8A 18 La designación del grupo 1-18 ha sido recomendada por la Intemational Union of Pure and Applied Chemistry (ruPAC) pero aún no está en uso. En este texto se usa la notación . .estadounidense estándar para los grupos (lA-8A y 1B-8B). No se han asignado nombres para los elementos 112, 114 Y 116. Los elementos 113, 115, 117 Y 118 todavía no se han sintetizado. No metales Metaloides Metales 88 Ra 87 Fr Lantano Bario 56 Ba 55 Cs 137.3 La 87.62 Cesio lirio &troncio Rubidio 85.47 132.9 Zr Y 38 Sr Vanadio 50.94 1itanio 47.88 37 Rb 44.96 Escandio Calcio 40.08 23 V SB 22 Ti POIasio 21 Se 39.10 20 Ca 24.31 19 K Magnesio 14 Si 13 Al 12 Mg 11 Na Sodio 12.01 22.99 Camono Boro 10.81 6 Berilio C 14 4A 9.012 8 13 3A Litio 6 6B Masa atómica 5 B 3 3B Flúor 19.00 Número "Oro;" 4 Be 2 2A F C!J== 6.94 3 Li 1.008 Hidrógeno 1 H lA http://carlos2524.jimdo.com/
http://carlos2524.jimdo.com/ Lista de elementos Elemento Actinio Aluminio Americio Antimonio Argón Arsénico Astato Azufre Bario Berilio Berkelio Bismuto Bohrio . Boro Bromo Cadmio Calcio Californio Carbono Cerio Cesio Cloro Cobalto Cobre Criptón Cromo Curio Darmstadtio Disprosio Dubnio Einstenio Erbio Escandio Estaño Estroncio Europio Fermio Flúor Fósforo Francio Gadolinio Galio Germanio Hafnio Hassio Helio Hidrógeno Hierro Holmio Indio Iridio Iterbio Itrio Lantano Laurencio Litio con sus símbolos y masas atómicas* ~mbolo Ac Al Am Sb Al' As At S Ba Be Bk Bi Bh B Br Cd Ca Cf C Ce Cs CI Co Cu' Kr Cr Cm Ds Dy Db Es El' Sc Sn Sr Eu Fm F P Fr Gd Ga Ge Hf Hs He H Fe Ho In Ir Yb Y La Lr Li Número atómico 89 13 95 51 18 33 85 16 56 4 97 83 107 5 35 48 20 98 6 58 55 17 27 29 36 24 96 110 66 105 99 68 21 50 38 63 100 9 15 87 64 31 32 72 108 2 1 26 67 49 77 70 39 57 103 3 Masa atómica* (227) 26.98 (243) 121.8 39.95 74.92 (210) 32.07 137.3 9.012 (247) 209.0 (262) 10.81 79.90 112.4 40.08 (249) 12.01 140.1 132.9 35.45 58.93 63.55 83.80 52.00 (247) (269) 162.5 (260) (254) 167.3 44.96 118.7 . 87.62 152.0 (253) 19.00 30.97 (223) 157.3 69.72 72.59 178.5 (265) 4.003 1.008 55.85 164.9 114.8 192.2 173.0 88.91 138.9 (257) 6.941 Elemento Símbolo Lutecio Magnesio Manganeso Meitnerio Mendelevio Mercurio Molibdeno Neodimio Neón Neptunio Niobio Níquel Nitrógeno Nobelio Oro Osmio Oxígeno Paladio Plata Platino Plomo Plutonio Polonio Potasio Praseodimio Proactinio Prometio Radio Radón Renio Rodio Roentgenio Rubidio Rutenio Ruterfordio Sarnario Seaborgio Selenio Silicio Sodio Talio Tántalo Tecnecio Telurio Terbio Titanio Torio Tulio Tungsteno Uranio Vanadio Xenón Yodo Zinc Zirconio Lu Mg Mn Mt Md Hg Mo Nd Ne Np Nb Ni N No Au Os O Pd Ag Pt Pb Pu Po K Pr Pa Pm Ra Rn Re Rh Rg Rb Ru Rf Sm Sg Se Si Na TI Ta Tc Te Tb Ti Th Tm W U V Xe 1 Zn Zr Número atómico 71 12 25 109 101 80 42 60 10 93 41 28 7 102 79 76 8 46 47 78 82 94 84 19 59 91 61 88 86 75 45 111 37 44 104 62 106 34 14 11 81 73 43 52 65 22 90 69 74 92 23 54 53 30 40 Masa atómica** 175.0 24.31 54.94 (266) (256) 200.6 95.94 144.2 20.18 (237) 92.91 58.69 14.01 (253) 197.0 190.2 16.00 106.4 107.9 195.1 207.2 (242) (210) 39.10 140.9 (231) (147) (226) (222) 186.2 102.9 (272) 85.47 101.1 (257) 150.4 (263) 78.96 28.09 22.99 204.4 180.9 (99) 127.6 158.9 47.88 232.0 168.9 183.9 238.0 50.94 131.3 126.9 65.39 91.22 * Todas las masas atómicas tienen cuatro cifras significativas. Estos valores son los que recomienda el Comité para la enseñanza de la química de la lnternational Unian of Pure and Applied Chemistry, ** Los valores aproximados de las masas atómicas se señalan entre paréntesis.
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http://carlos2524.jimdo.com/ Química
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http://carlos2524.jimdo.com/ Q .D31. Z C. 'f5 '{ ;:¿ CJ 0.:; Química Novena edición Raymond CHANG Williams College Revisión técnica: Rosa Zugazagoitia Herranz Profesora de Química Universidad Autónoma Metropolitana, Xochimilco UNAM, Facultad de Ciencias ...---- . -José Clemente Reza Profesor titular de Química General ESIQIE, Instituto Politécnico Nacional OD31 .2 C454 2007 RAYMOND CHANG 1111/1111111111111111111111111111111111111111111111111111111 0233006194 OUIMICA MÉXICO· BOGé>TÁ· BUENOS AIRES· CARACAS· GUATEMALA· LISBOA· MADRID NUEVA YORK. SAN JUAN • SANTIAGO· AUCKLAND· LONDRES. MILÁN MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO
http://carlos2524.jimdo.com/ Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Editor spousor: Pablo E. Roig Vázquez Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Erika Jasso Hernán D' Bourneville QUÍMICA Novena edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor. _ _ McGraw-Hill Inleramericana DERECHOS RESERVADOS © 2007 respecto a la novena edición en español por McGRAW-HILLIINTERAMERICANA EDITORES , S.A. DE c.v. A Subsidiary ofThe McGraw-Hill Companies, ¡ne. Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón c.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN-13: 978-970-10-6111-4 ISBN-lO: 970-10-6111-X Traducido de la novena edición de: CHEMISTRY by Raymond Chang Copyright © 2007 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. La sección de créditos para este libro comienza en la página C- t y_se considera como. una extensión de la página legal. ISBN-lO: 0-07-298060-5 ISBN-13 : 978-0-07-298060-8 34567890 09765432108 Impreso en China por CTPS Printed in China by CTPS The McGraw-HIII Companles "';~,
http://carlos2524.jimdo.com/ Acerca del autor Raymond Chang nació en Hong Kong y creció en Shangai y en Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en química por la London University, en Inglaterra y se doctoró en química en Yale University. Después de realizar su investigación posdoctoral en Washington University y enseñar durante un año en Hunter College of the City University of New York, se unió al departamento de química en Williams College, donde ha enseñado desde 1968. El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical Society Examination Comrnittee, el National Chemistry Olympiad Examination Comrnittee y. el Graduate Record Examinations (GRE) Comrnittee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. El profesor Chang ha escrito libros sobre fisicoquímica, química industrial y ciencia física. También ha participado como autor de libros sobre el idioma chino, libros infantiles de fotografías y una novela de literatura juvenil. Para relajarse, el profesor Chang cultiva un jardín selvático, juega tenis, ping-pong, toca la harmónica y practica el violín. Imágenes de la portada A la izquierda complejo Pb 2 + - AEDT. En medio: mapa del potencial electrostático que muestra la conformación del H2 a partir de dos átomos de H. A la derecha: estructura helicoidal-a de una molécula de proteína. v
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http://carlos2524.jimdo.com/ 1 Química: el estudio del cambio 2 Átomos, moléculas e iones 3 Relaciones de masa en las reacciones químicas 4 5 6 Reacciones en disolución acuosa 7 8 9 La teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos Gases 2 40 76 118 168 Termoquímica 222 Relaciones periódicas entre los elementos Enlace químico 1: Conceptos básicos 266 314 356 10 Enlace químico 11: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 398 11 Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 12 13 Propiedades físicas de las disoluciones Cinética química 450 502 544 14 Equilibrio químico 600 15 Ácidos y bases 644 16 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 17 Química en la atmósfera 750 18 Entropía, energía libre y equilibrio 782 19 Electroquímica 818 20 Metalurgia y la química de los metales 866 21 Elementos no metálicos y sus compuestos 894 22 Química de los metales de transición y compuestos de coordinación 934 23 24 25 Química nuclear 696 Química orgánica 966 1002 Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1038 Apéndice 1 Derivación de nombres de los elementos Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C Apéndice 4 Operaciones matemáticas A-1 A-7 A-8 A -13 vii
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http://carlos2524.jimdo.com/ Lista de aplicaciones xxi Prefacio xxiii Una nota para el estudiante xxxi Química: el estudio del cambio 2 1.1 1.2 1.3 Química: una ciencia para el siglo El estudio de la química El método científico 4 XXI 7 8 LA QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big-Bang 1.4 1.5 1.6 1.7 Clasificación de la materia 10 11 Los tres estados de la materia 13 Propiedades físicas y químicas de la materia Mediciones 14 15 LA QUíMICA en acción La importancia de las unidades 1.8 1.9 El manejo de los números 20 21 Análisis dimensional en la resolución de problemas Resumen de datos y conceptos Palabras clave 31 Preguntas y problemas 31 27 31 MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios 38 Átomos, moléculas e iones 40 2.1 2.2 2.3 2.4 La teoría atómica 42 La estructura del átomo 43 Número atómico, número de masa e isótopos La tabla periódica 49 50 LA QUíMICA en acción Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 2.5 2.6 Moléculas e iones Fórmulas químicas 52 53 54 IX
http://carlos2524.jimdo.com/ x .Contenido 2.7 2.8 Nomenclatura de los compuestos 59 Introducción a los compuestos orgánkos Resumen de datos y conceptos Palabras clave 70 . Preguntas y problemas 70 68 69 Relaciones de masa en las reacciones químicas 76 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Masa atómica 78 Número de Avogadro y masa molar de un elemento Masa molecular 79 83 El espectrómetro de masas 86 Composición porcentual de los compuestos 86 Determinación experimental de fórmulas empíricas Reacciones químicas y ecuaciones químicas Cantidades de reactivos y productos Reactivos limitantes 90 92 97 101 Rendimiento de reacción 103 LA QUíMICA en acción Fertilizantes químicos 104 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 107 Preguntas y problemas 107 106 Reacciones en disolución acuosa 118 4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 4.2 Reacciones de precipitación 122 LA QUíMICA en acción Una reacción de precipitación indeseable 4.3 4.4 Reacciones ácido-base 127 Reacciones oxidación-reducción 131 LA QUíMICA en acción Alcoholímetro 143 4.5 4.6 4.7 Concentración de las disoluciones 4.8 Valoraciones redox Análisis gravimétrico 148 Valoraciones ácido-base 150 153 LA QUíMICA en acción Metal proven iente del mar Resumen de datos y conceptos Palabras clave 156 J57 Preguntas y problemas 155 156 142 126 120
http://carlos2524.jimdo.com/ xi Contenido MISTERIO de la química ¿Quién asesinó a Napoleón? 166 Gases 168 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 Sustancias que existen como gases Presión de un gas 170 171 Las leyes de los gases 175 Ecuación del gas ideal 181 La estequiometría de los gases 190 Ley de Dalton de las presiones parciales 192 La teoría cinética molecular de los gases 197 LA QUíMICA en acción El buceo y las leyes de los gases 198 LA QUíMICA en acción Átomos enfriados 205 5.8 Desviación del comportamiento ideal Resumen de datos y conceptos Palabras clave 209 209 Pregu:ntas Y problemas 206 209 MISTERIO de la química Sin oxígeno 220 Termoquímica 222 6.1 6.2 6.3 6.4 Naturaleza y tipos de energía 224 Cambios de energía en las reacciones químicas Introducción a la termodinámica Entalpía de las reacciones químicas 232 LA QUíMICA en acción Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta 6.5 Calorimetría 225 227 233 239 LA QUíMICA en acción Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias 6.6 246 LA QUíMICA en acción Cómo se defiende el escarabajo bombardero 6.7 Entalpía estándar de formación y de reacción 251 Calor de disolución y de dilución Resumen de datos y conceptos Palabras clave 254 Preguntas y problemas 255 MISTERIO de la química El neumático explosivo 264 254 252 245
http://carlos2524.jimdo.com/ Xll Contenido Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 266 7.1 7.2 7.3 7.4 De la física clásica a la teoría cuántica El efecto fotoeléctrico Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno La naturaleza dual del electrón LA QUíMICA en acción Láser: la luz esplendorosa LA QUíMICA en acción Microscopía electrónica 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 268 272 274 279 280 283 Mecánica cuántica 283 Números cuánticos 286 Orbitales atómicos 288 Configuración electrónica 292 El principio de construcción Resumen de datos y conceptos Palabras clave 303 Preguntas y problemas 303 298 302 MISTERIO de la química Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio Relaciones periódicas entre los elementos 314 8.1 8.2 8.3 Desarrollo de la tabla periódica 316 Clasificación periódica de los elementos 318 Variaciones periódicas de las propiedades físicas LA QUíMICA en acción ¿El tercer elemento líquido? 8.4 Energía de ionización 8.5 8.6 Afinidad electrónica 329 329 333 Variación de las propiedades químicas de los elementos representativos 335 LA QUíMICA en acción El descubrimiento de los gases nobles Resumen de datos y conceptos Palabras clave 348 348 Preguntas y problemas 347 346 322 312
http://carlos2524.jimdo.com/ Contenido xiii Enlace químico 1: Conceptos básicos 356 9.1 9.2 9.3 t.: ;zt.. _ ~ ;..ars........... J. ~ p~_f-L 11 al e ffrld 6 S~ F cttlj ~U~ .® - t.J~'¡';-- -'&'" tl}';- ~-, el Energía reticular de los compuestos iónicos ~ LA QUíM ICA en acción Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 El enlace covalente 366 Electronegatividad 369 Símbolos de puntos de Lewis El enlace iónico 358 359 Escritura de las estructuras de Lewis Carga formal y estructura de Lewis El concepto de resonancia 361 365 372 375 377 Excepciones a la regla del octeto 379 LA QU íMICA en acción Sólo diga NO 384 9.10 Entalpía de enlace 385 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 390 Preguntas y problemas 390 390 Enlace químico II: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 398 10.1 10.2 Geometría molecular Momento dipolar 400 409 LA QUíM ICA en acción Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción 10.3 10.4 10.5 Teoría del enlace valencia 10.6 10.7 10.8 Teoría del orbital molecular 412 415 Hibridación de orbitales atómicos 417 Hibridación en moléculas que contienen enlaces dobles y triples 426 429 Configuraciones de orbitales moleculares Orbitales moleculares deslocalizados Resumen de datos y conceptos 432 437 439 LA QUíM ICA en acción El buckybalón 440 Palabras clave 442 Preguntas y problemas 442 /
http://carlos2524.jimdo.com/ xiv Contenido Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 450 11.1 La teoría cinética molecular de líquidos y sólidos 11.2 Fuerzas intermoleculares 453 11.3 Propiedades de los líquidos 459 11.4 Estructura cristalina 462 452 LA QUíMICA en acción ¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 11.5 11.6 Difracción de rayos X por los cristales Tipos de cristales Sólidos amorfos 469 471 LA QUíMICA en acción Superconductores a altas temperaturas 11.7 463 476 476 LA QUíMICA en acción y todo por un botón 478 11.8 11.9 Cambios de fase Diagramas de fase 479 488 LA QUíMICA en acción Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión y el patinaje sobre hielo 490 LA QUíMICA en acción Cristales líquidos 491 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 493 Preguntas y problemas 494 493 Propiedades físicas de las disoluciones 502 12.1 Tipos de disoluciones 504 12.2 Enfoque molecular del proceso de disolución 505 12.3 Unidades de concentración 507 12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 511 12.5 Efecto de la presión en la solubilidad de los gases 513 12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrólitos 515 LA QUíMICA en acción El lago asesino 516 12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrólitos LA QUíMICA en acción Desalinización 530 12.8 Coloides 530 Resumen de datos y conceptos Palabras clave •534 Preguntas y problemas 534 MISTERIO de la química El cuchillo equivocado 542 534 528
http://carlos2524.jimdo.com/ xv Contenido Cinética química 544 13.1 13.2 13.3 La velocidad de una reacción Ley de la velocidad 546 553 Relación entre la concentración de reactivos y el tiempo LA QUíMICA en acción Determinación de la edad del Sudario de Turín 13.4 13.5 568 Constantes de velocidad y su dependencia de la energía de activación y de la temperatura 557 568 Mecanismos de reacción 575 LA QUíM ICA en acción Femtoquímica 580 13.6 Catálisis 581 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 589 589 Preguntas y problemas 588 Equilibrio químico 600 14.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 602 14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 604 14.3 Relación ente cinética química y equilibrio químico 616 14.4 ¿Qué información proporciona la constante de equilibrio? 617 14.5 Factores que afectan el equilibrio químico 623 LA QUíMICA en acción La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina 630 LA QUíM ICA en acción El proceso Haber 631 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 632 Preguntas y problemas 633 632 Ácidos y bases 644 15.1 Ácidos y.bases de Br¡;lnsted 646 15.2 Propiedades ácido-base del agua 647 15.3 El pH: una medida de la acidez 649 15.4 Fuerza de los ácidos y las bases 652 15.5 Ácidos débiles y la constante de ionización de un ácido 656 15.6 Bases débiles y la constante de ionización de una base 663 15.7 Relación entre las constantes de ionización de los ácidos y sus bases conjugadas 15.8 15.9 15.10 15.11 665 Ácidos dipróticos y polipróticos 666 Estructura molecular y fuerza de los ácidos Propiedades ácido-base de las sales 670 674 Propiedades ácido-base de los óxidos y los hidróxidos 679
http://carlos2524.jimdo.com/ xvi Contenido 15.12 Ácidos y bases de Lewis 682 LA QUíMICA en acción Antiácidos y el balance del pH en el estómago Resumen de datos y conceptos Palabras clave 686 Preguntas y problemas 686 684 686 MISTERIO de la química La descomposición de los papeles 694 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 696 16.1 Comparación entre los equilibrios homogéneo y heterogéneo en disolución 698 16.2 16.3 Efecto del ion común 698 Disoluciones amortiguadoras 701 LA QUíMICA en acción Mantenimiento del pH de la sangre 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 Valoraciones ácido-base 706 708 Indicadores ácido-base 716 Equilibrios de solubilidad 718 Separación de iones por precipitación fraccionada El efecto del ion común y la solubilidad El pH Y la solubilidad 725 727 728 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad LA QUíMICA en acción ¿Cómo se forma un cascarón de huevo 731 737 16.11 Aplicación del principio del producto de solubilidad al análisis cualitativo 737 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 740 Preguntas y problemas 740 739 MISTERIO de la química Un duro bocadillo 748 Química en la atmósfera 750 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 La atmósfera terrestre 752 Los fenómenos en las capas externas de la atmósfera Disminución del ozono en la estratosfera Los volcanes 762 El efecto invernadero La lluvia ácida 763 767 El esmog fotoquímico 771 Contaminación doméstica 773 757 755
http://carlos2524.jimdo.com/ xvii Contenido Resumen de datos y conceptos Palabras clave 776 Preguntas y problemas 776 776 Entropía, energía libre y equilibrio 782 18.1 18.2 18.3 18.4 Las tres leyes de la termodinámica Los procesos espontáneos Entropía 784 784 785 La segunda ley de la termodinámica 790 LA QUíMICA en acción La eficiencia de las máquinas térmicas 18.5 18.6 La energía libre de Gibbs 796 La energía libre y el equilibrio químico LA QUíMICA en acción La termodinámica de una liga 18.7 803 807 La termodinámica en los sistemas vivos Resumen de datos y conceptos Palabras clave 810 810 Preguntas y problemas 796 808 809 Electroquímica 818 19.1 Reacciones redox 820 19.2 Celdas electroquímicas 823 19.3 Potenciales estándar de reducción 825 19.4 Espontaneidad de las reacciones redox 831 19.5 Efecto de la concentración sobre la fem de la celda 19.6 Baterías 839 834 LA QUíMICA en acción Energía bacteriana 843 19.7 19.8 Corrosión Electrólisis 844 848 LA QUíMICA en acción Molestia producida por las amalgamas dentales Resumen de datos y conceptos Palabras clave 855 Preguntas y problemas 855 MISTERIO de la química Agua sucia 864 854 853
http://carlos2524.jimdo.com/ XVlll Contenido Metalurgia y la química de los metales 866 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 Abundancia de los metales Procesos metalúrgicos 868 868 Teoría de las bandas de conductividad 876 Tendencias periódicas de las propiedades metálicas Los metales alcalinos Los metales alcalinotérreos Aluminio 878 879 883 885 LA QUíMICA en acción Reciclado de aluminio 888 Resumen de datos y conceptos 889 Palabras clavi; 889 Preguntas y problemas 888 Elementos no metálicos y sus compuestos 894 21.1 21.2 Propiedades generales de los no metales Hidrógeno 896 896 LA QUíM ICA en acción Hidrógeno metálico 901 21.3 Carbono 902 LA QUíMICA en acción Gas sintético a partir del carbón 21.4 Nitrógeno y fósforo 905 906 LA QU íMICA en acción Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 21.5 21.6 Oxígeno y azufre Los halógenos 913 914 921 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 929 929 Preguntas y problemas 928 Química de los metales de transición y compuestos de coordinación 934 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 Propiedades de los metales de transición 936 La química del hierro y del cobre 939 Compuestos de coordinación 940 Estructura de los compuestos de coordi nación 946 El enlace en los compuestos de coordinación: teoría del campo cristalino 949 Reacciones de los compuestos de coordinación 955 Aplicaciones de los compuestos de coordinación 955
http://carlos2524.jimdo.com/ xix Contenido LA QUíMICA en acción Compuestos de coordinación en los sistemas vivos LA QUíMICA en acción Cisplatino: el medicamento anticancerígeno Resumen de datos y conceptos 960 Palabras clave Preguntas y problemas • 960 958 959 MISTERIO de la química Datación de pinturas con el azul de Prusia 964 Química nuclear 966 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 L a naturaleza de las reacciones nucleares Estabilidad nuclear Radi actividad natural Transmutación nuclear Fisión nuclear 968 970 975 978 981 LA QUíMICA en acción El reactor de fisión nuclear de la naturaleza 23.6 23.7 23.8 F usión nuclear 987 Ap licaciones de los i sótopos 989 Efectos biológicos de la radiación LA QUíMICA en acción Irradiación de los alimentos 991 993 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 994 Preguntas y problemas 994 994 MISTERIO de la química El arte de la falsificación en el siglo xx 1000 Química orgánica 1002 24.1 24.2 Clases de compuestos orgánicos Hidrocarburos alifáticos 1004 1004 LA QUíMICA en acción Hielo que se quema 1016 24.3 24.4 986 1017 Hidrocarburos aromáticos Química de los grupos f uncionales LA QUíMICA en acción La industria del petróleo 1020 1026 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 1029 Preguntas y problemas 1029 1029 MISTERIO de la química La desaparición de huellas digitales 1036 956
http://carlos2524.jimdo.com/ xx Contenido Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1038 25.1 25.2 25.3 Propiedades de los polímeros Polímeros orgánicos sintéticos Proteínas 1040 1040 1045 LA QUíMICA en acción Anemia de células falciformes: una enfermedad molecular 25.4 Ácidos nucleicos 1052 1054 LA QUíMICA en acción Huella digital del DNA 1057 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 1058 Preguntas y problemas 1058 1058 MISTERIO de la química Una historia que le erizará los cabellos 1062 Apéndice 1 Derivación de los nombres de los elementos A-1 Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7 Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8 Apéndice 4 Operaciones matemáticas A -13 Glosario G-1 Respuestas a problemas pares Créditos C-1 Índice 1-1 AP-l
http://carlos2524.jimdo.com/ El enunciado de apertura de esta obra es: "La química es una ciencia activa y en evolución, de una importancia vital para nuestro mundo, tanto en el ámbito de la naturaleza como en el de la sociedad." A través de este texto, las secciones tituladas La química en acción y Misterio de la química presentan ejemplos de química específicos que muestran su actividad y su evolución en todas las facetas de nuestras vidas. LA QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big-Bang La importancia de las unidades Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos Fertilizantes químicos Una reacción de precipitación indeseable Alcoholímetro Metal proveniente del mar El buceo y las leyes de los gases Átomos superenfriados Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias Cómo se defiende el escarabajo bombardero Láser: la luz esplendorosa Microscopía electrónica ¿El tercer elemento líquido? El descubrimiento de los gases nobles Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante Sólo diga NO Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción El buckybalón ¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? Superconductores a altas temperaturas y todo por un botón Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión y el patinaje sobre hielo Cristales líquidos El lago asesino Desalinización Determinación de la edad del Sudario de Turín Femtoquímica La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina El proceso Haber Antiácidos y el balance del pH en el estómago 10 20 52 104 126 143 155 198 205 233 245 251 280 283 329 346 365 384 412 440 463 476 478 490 491 516 530 568 580 630 631 684 xxi
http://carlos2524.jimdo.com/ xxii Lista de aplicaciones Mantenimiento del pH de la sange ¿Cómo se forma un cascarón de huevo? La eficiencia de las máquinas térmicas La termodinámica de una liga Energía bacteriana Molestia producida por las amalgamas dentales Reciclado del aluminio Hidrógeno metálico Gas sintético a partir del carbón Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo Compuestos de coordinación en los sistemas vivos Cisplatino: el medicamento anticancerígeno El reactor de fisión nuclear de la naturaleza Irradiación de los alimentos Hielo que se quema La industria del petróleo Anemia de células falciformes: una enfermedad molecular Huella digital del ADN 706 736 796 807 843 853 888 901 905 913 956 958 986 993 1016 1026 1052 1057 MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios ¿Quién asesinó a Napoleón? Sin oxígeno El neumático explosivo Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio El cuchillo equivocado La descomposición de los papeles Un duro bocadillo Agua sucia Datación de pinturas con el azul de Prusia El arte de la falsificación en el siglo xx La desaparición de huellas digitales Una historia que le erizará los cabellos 38 166 220 264 312 542 694 748 864 964 1000 1036 1062
http://carlos2524.jimdo.com/ esde la primera edición, mi intención ha sido escribir un libro de química general que proporcionara una base sólida de los conceptos y principios químicos, y que infundiera en los estudiantes una apreciación de la parte vital que tiene la química en nuestra vida diaria. Es mi responsabilidad como a~tor de este libro de texto ayudar tanto a los profesores como a sus estudiantes a alcanzar este objetivo mediante la presentación clara y lógica de una amplia gama de temas. Siempre que ha sido posible he tratado de encontrar un balance entre la teoría y la práctica, y de ilustrar los principios básicos con ejemplos cotidianos. Pero sobre todo, el objetivo principal ha sido escribir un texto comprensible y claro. Con cada nueva edición he tratado de mejorar la pedagogía empleada para desarrollar en los estudiantes habilidades de pensamiento crítico y de resolución de problemas, así como encontrar formas nuevas y efectivas para presentar conceptos químicos abstractos. D porciona a los estudiantes una visión general de los temas que se abordarán en el mismo. o o o o o o o Lo nuevo en esta edición Muchas secciones de este texto han sido revisadas y actualizadas gracias a los comentarios de revisores y usuarios. A continuación se muestran algunos ejemplos: o Las páginas de apertura de cada capítulo cuentan con una sección titulada "Avance del capítulo", la cual pro- o o Todas las ecuaciones y respuestas para la mayor parte de los ejercicios resueltos se encuentran sombreadas para facilitar su ubicación visual en el texto. Se ha agregado una introducción a los compuestos orgánicos en la sección 2.8. Se ha revisado el tema del capítulo 4 que trata los tipos de reacciones (precipitación y ácido-base). Se ha awpliado el análisis de la difusión y efusión de gases de la sección 5.7. En la sección 13.3 ahora se analizan las reacciones de orden cero, además de las reacciones de primer y segundo orden. En la sección 15.3 se compara la definición del pH con los conceptos de concentración y actividad. Se han actualizado varios ensayos de las secciones tituladas La química en acción y se agregaron dos nuevos a los capítulos 11 y 19. Se ha añadido un nuevo Misterio de la química al capítulo 7. Al igual que en la edición anterior se ha logrado una buena mezcla de problemas fáciles , intermedios y difíciles al final de cada capítulo. Además de los problemas especiales se agregó una nueva categoría que contiene otros aún más desafiantes. xxiii
http://carlos2524.jimdo.com/ xxiv Prefacio Arte Como siempre, me he esmerado por lograr un diseño limpio pero atractivo a la vista. Cada capítulo abre con dos páginas que contienen una foto acompañada de sus correspondientes modelos moleculares para ilustrar el proceso físico o químico a nivel molecular. AVANCE DEL CAPíTULO • E.~te <::1(>11110 da ¡nido ron Unol breve ¡nlraducción al estudio de la qulmica)" su función dc mm de la sociedad moderna. (1 .1 y 1.2) Un globo leno de tt;drOgenoe~­ pIo1aalcalenlarlocoo l1li8 llama. E1hidrógenogaseosQteaCciona con el (lldgeno que está en el a;. re para klrrnar vapor de '9U3-La quiTOcae$elesIu(Ii;)delaspoo. piedades de la materia y óGlos • C3IT"bios que ésIa e>cpeomeru. lo&lT"C>deIosp¡-tr.iCf1UInlasrn> lé<:tJIas de hidlOgeoo. adgeno Y • A continuxión se oonoccrnn las bases del rntlodo cien. mm. el ~u.ll es lII13 metodología ';51". mitic:apamlainvesligacioo cnlotbslasdisciplil:lS.(1.3) • Sedefonirj elr.:onceptodcmaccriayseob!;er.;u-:l q ue una sustaOOapur.lpuNo:iiCrundc,""n. 100 un compuesto. Scdi>ti nguir.1 enlre un;¡ mCICla homogáIea y una hclcrogénca. Se apmldcr.lquc.cnprincipio.lO<b lamatcriapunleu¡sti .enClóllqukl'lldctrn~sólido. l fquido opseoso.(1.4 y I.S ) P3ra~zarunasusunciacsnecesariot'OllOCeTwspropic<bdcsflsic:ls,bsCUJlcs_ob­ scr"o':lblcs sin 'luc sus prop;cd:ldes q ufmit:15 e identidad sufran cambio :JIguoo,loqlX' sólo pue. de demostnrse medianlc cambios qulmiCO!i. ( 1.6) • Debidoaquclaquímicacsunacienci;¡uperirnell:>l.implicadusode lasmediciones.Scoo- nocerán las unidada básicasdcl SI (SiSlem:> Imcmacional de medidas) y se cmple:lrán sus uni· dJdes dcri,Oldas en cantidades C()OI() el lIOI url"lCn y la densidad. Tambi4!n se estudiar:ln las lres cscalasdc lempenllur.l: Celsius, Fahmlheil y Kclvin. (1.7) • Con rrccucncia,loscllculos químicos implican el usodecantid:xles muy pequclbso mu)' grnndc$, 'j una m.mern ~ieOI~ paro tratar oon algunas de eStaS e ifr.!.' es la nouciÓl1 cie ntífic,.. En los cá!eul<>s O mfflici~..ad.lC"~midaddebe present:lrel núm~~U:ldl)<k cir....~$ sigoi ficali,,,,,, Ia.'queoom:sponden ndrgilos importanles. (1 .8) • Por último, se ~nl~ nde¡;j la utilidad del ,'o~I;, i s dimensional para los cálcul os quím i.)!. Al l1e v;lrc~da unidad a lo I~rgu de la secuencia com pl ' la de cálcul os. lodas I~s lnid,odc s .'C cance bn. a excepdón de lacmllidad buscada. ( 1.9) L~~~:!~a ~1::I~~=~~~;:;i:!~~~':s~:~=~~:~g:~ l~nq:~:r;:::~CI: dos se:midos una ciencia moderna. como se: wr.l poco más adcl,uue. Se iniciará el estudio de la químic:l en el ni".:! macroscópico. ~-n. el que es posible obsc:r"ar y mctJir l (X<rn:lcriales q ue formannUCSlromundo.Enestec:tpil ulose:anali"L:U":ielm~UloJocicnlifiro, que es b rose par.! b im-.::sligac:i6n no sólo en quimic:l, ~no tambi<'n en las dem;b e'eoo:u. I...utgn. se~brir:i l:!f<lml:l en que losciemifirosdefincnyc:u:tClerizan"lamaleria.Pc&Ieri<trmtn!e.se conooerán los sistemas de medici<ln U$3doo5 en cll:Ibora'<lrio.. Flr último. se dedicad un poro de ¡iempo:.1 a~ndizajc delllUllll:jo de los resull3dos IllIIllI'rieos de las mcWciooes qufmicas)· a la relOIución de problemas numtriros.. En el capitulo 2 (br:i ínítio la e.p&orociOO del mUfldomicTn:Jcó. pirodeál{)mO<Y moIm.las. El estudio del camb io 1. 1 Qufmíc;l: una cicneia p::I1Lc:I siglo XXI l'ropied3desfisic;lsyquími«lSdelamaleria f;l csloo iodelaqu[mic:l Mediciones I'.lmé(oOOciemifico F..1m;.ncjodeIOllnÚmeros Cla~; tkacióndc lamnl"ria 103 An~li.~ i s dimc<lsio<lal en In resoluci ón de problcrnas L<)l lrcscsla<k,,<ielamatcria ,: I Figura 10.7 Formació n de cuatro orbitales hibridos srr a partir de un orbital los vértices de un tetraed ro. 2s y tres orbitales 2p. Los o rbitales srr ap untan hacia Gran parte de los dibujos y esquemas tienen una nueva apariencia, no obstante, siguen conservando la información química exacta. Por ejemplo, los orbitales híbridos que se ilustran en el capítulo 10, tienen un diseño nuevo y actualizado. También se han agregado nuevos diseños moleculares a los dibujos, las fotos y a varios problemas de cierre de capítulo. Además, se ha actualizado el programa fotográfico para complementar la distribución visual del diseño. Por último, el formato de todas las tablas periódicas en el texto también se ha renovado.
http://carlos2524.jimdo.com/ xxv Prefacio Problemas El desarrollo de las habilidades para la resolución de problemas siempre ha sido una meta fundamental en este texto. Por ejemplo, en la sección 3.8, el método general para resolver problemas de estequiometría se dividió en varios procesos escalonados. Este método se pone en práctica inmediatamente después en el ejemplo 3.13. Asimismo, el ejemplo 3.14 requiere que los estudiantes utilicen por sí mismos este mismo tipo de procedimiento. Los comentarios al margen permiten aplicar nuevas habilidades a otros problemas similares que se han ubicado al final del capítulo. A cada ejemplo resuelto le sigue un ejercicio de práctica donde se requiere que los alumnos resuelvan un problema similar por su cuenta. Las respuestas a estos ejercicios se presentan al final de la sección de preguntas y problemas al final de cada capítulo. El método ge neml pam resolver problemas de cstcquiOl11ctría se resume a continuaPa50 2: Para C<.lllvcrtir gmmos de C~H,;:ü~ a moles del mismo compuesto, se esc ri be ción Escriba unnecuación balanceada de la reneci ón. 856 g..cr,H"Go;, x COllv icI1a la cantidad cOl1ocidadel rcactivo(en gra mos II otras unid ades) a mímero de llloles. 1~~~;1g..~~~ '" 4.750 mol Cr,H I".!O~ Uti lice la relación rnolnr de la ecuación bal:mceada para calcular el nú mero de moles 4. 3; En la relación molar, se observa que CJ11l0f, "" 6 moles CO" Por lo tanto. el numcro de moles de CO¡ formado es P(I;'O 3. P(1 .(J 4; Por llltilHO, el oúmero de gramos de COI formado resulta de Convierta los mo les de producto en gramos (u otras unidades) de producto del producto formado. 4.150ruol·~ x 1 :;~io;." 28.50 mol COl 28.50Ino¡..eo;x4~.~Z "" 1.25 x 16'gCO~ Con un poco de práctiea, se podráncombinur los rmsosde eonversión Ejemplo 3.13 gmmos de C6 Hll O,. _ Los alimcntu, quc sc ingieron son dcgmdados, o desdoblados. en el cuerpo pamproporcionllr Inenergínneces.ariapamelcrecimientoyotrasfuncioncs.L'IlX'uaci6ngeneral global pmaeste C{llllplicndo proceso está representnda por la degmdaciónde la glucosa ( C.H Il 0 6) en dióxido de carbono (CO¡l yagua(H,O) ' C 6H,P. Si una persona cons ume 856 g de producida? durante cierto periodo. gramos de COl ma,adeC02=8S6g.C~X l~~~~X 1~~~x ~'~~;eC~2 = 1.25 x lO! gCO! + 6O¡_6CO. + 6H¡O C~H'IO. moles de C6H,206- moles de CO 2 _ enllnueewción: ~cuál será la masa de COl ESlrlllegia Segllll la ecuación balnnccada. ¿cómo se compamn las cantidades de C;H 110 6 y COl? Se pueden comparar con b.1se en la re!"ciÓlllllo/"r de la ecuación balanceada, ¿Cómo se convierten lo, gmmos de C.H 11 0 6 en moles de este compuesto? Una vez que se determinan los moles de COl mediante la relación 110lar de la ecuación balanceada, ¿cómo se convienen cn gmmos de CO¡? CJi1206? Ejercido de práctica El metanol (CHJOH) se quema en ai re de acuerdo con la ecuación Si se utiliz.'11l 209 g de metallol en IIn procesu de combustión. ¿cuál será la m~a de H,O pro· Solución Se siguen los pasos de la figllm 3.!!. ducida? Paso 1: Luccuaci,ínbala neeadaseproporcionaenel problema (colllimia) Como profesor, siempre aconsejo a mis estudiantes que elaboren un diagrama del funcionamiento interno de un problema, lo cual es una valiosa herramienta de aprendizaje. En algunos de los ejemplos resueltos he incluido este tipo de dibujos (por ejemplo, vea ejemplo 16.10 en la página 724). Esto es lo que un científico haría al trabajar en un determinado problema. Ejemplo 16. 10 Exactamente 200 mL de BaCl2 0.0040 M sc mezclan con exacta mente 600 mL de K ZS04 0.0080 M. ¿Se formará un precipitado? Estrategia ¿En qué condiciones un compuesto iónico se precipita a partir de una disolución? Los iones en disolución son Bah , CI - , K+ Y SO~ - . De fI(:uerdo con las regla~ de solubilidad enumeradas en la tabla 4.2 (página 123), el único precipitado que se puede formar es BaS0 4 . A partir de la infomlación dada, se puede calcular rBa2+1 y [SO¡- ] debido a que se conoce el nú· mero de moles de los iones en las disoluciones originales y el volumen de la disolución combinada. Después, se calcula el cociente de reacción Q(Q = lBa2+Jo[SO¡-]u) y se compara el valor de Q con K ¡>< de BaS0 4 para ver si se formará un prec ipitado, es decir, si la disolución es sobresaluJ"flda. Es de utilidad realizar un diagrama de la situación . '}.tltlHlL.. MfJWIl18aCCt. ~ C6tl.»J~ "'? [SO~-Jp:: '! Soluci6n El número de moles de BaH presentes en los 200 mL originales de disolución es (colllil1úa)
http://carlos2524.jimdo.com/ xxvi Prefacio La sección "Problemas especiales", i lo nuevo en esta edición! , se ha formulado para presentar un desafío al alumno. Varios de estos problemas se han incluido al fi- . nal de cada capítulo. Problemas especiales 1.94 A un cajero bancario se le pide que anne juegos de un dólar cada uno en monedas para los clientes. Cada juego está compuesto de tres monedas de 25 centavos , una moneda de ci nco centavos y dos monedas de 10 centavos cada una. Las masas de las monedas son: 5.645 g para la de 25 centavos, 4 .967 g para la de do· co centavos y 2.316 g para la de 10 centavos . ¿Cuál es el número máximo de juegos que pueden armarse a partir de 33.871 kg de monedas de 25 centavos , 10.432 kg de monedas de cinco centavos y 7.990 kg de monedas de 10 centavos? ¿Cuál es la masa total (en gramos) de esta colecc ión de monedas? 1.98 Una química mezcla dos líquidos, A y B, para fonnar una mezcla homogénea. Las den sidades de los líquidos son 2.05 14 g/mL para A y 2.6678 g/mL para B. Cuando deja caer un pequeño objeto dentro de la mezcla, descubre que éste queda suspendido en el líquido, es decir, que ni fl ota ni se hunde. Si la mezcla se compone de 41.37% de A y 58.63 % de B, en volu men, ¿cuál es la densidad del metal? ¿Puede emplearse este procedimiento, en general , para determ inar las densidades de los sólidos? ¿Qué consideraciones se obtienen al aplicar este método? 1.99 Suponga que se le proporciona un líquido. Describa brevemente los pasos que reali zaría para demostrar Pedagogía Cada capítulo contiene una sección de apeltura titulada "Avance del capítulo" que proporciona a los estudiantes una visión general de los temas que se presentarán en ese capítulo. AVANCE DEL CAPÍTULO • Se iniciaclcsucaphuloconunape .... pecli'lllúS!6ri.cadel3bU"'uN:Idel"'uni~fund..3men. taJes de la maleria. La versióll moderna de la lrorea MÓmic:a fue ~ula.da por JoIUIlñlton en el Si&lOXIX, quien ;a!irm6qIC los elementOS enaban eon~liluidos por p;mICllh.$ e:<I",rn:Kbmen. le pequeftas. l1arnadall ~Iomos.. TodO'llos ~omos de un elememo delcnt'linado son id~micol. pe. ro son di fe",ntcsde los:litom05de tOOos l05dem:is el emenloo . (2.1) • Se observará que. mediante la e~perimentac ión.los c ientllico! hJn aprendido que un átomo es· lá constituido por tres partlc ulas elementales; protón. electron yne utTÓn . El protÓII tiene una carlla ~ti'... elcleclrÓn una""gativ¡¡y c l""ulrónnO lie""Car¡¡¡&.Lo. procOllCsylos""ulrol1CS se locali zan en una pequc/la "'tiónen el « ntrodol :!tomo.denominada noclea. en ",moque • Se analizarán las sllluicmes formas de idenli licar ~ el numero:u6mico es el nUmero de prolOnes en un DUel=. los 'tnmos de diferentes elementos tienen numeros at6micos difeTCntes Los iSÓlopos WIl : ornO'< del mismo elemento con un nGmero diferente de neutrones. El numch ro de masa es I:J. suma del mlmer,) de protoncs y ncutrone s e n un áto-mo. Dcbi do a que uo dto . moes el~ct ri camenteneut ro, ccntjencunmln1<'roi g ualdeelcct ro "" s ydeprotones. ( 2.3) • Se obse ....'31á cómo se pueden Igrup3J 10$ elememos de acuerdo con sus propiedades fJ.ieas y qufmias en UmI. tabla oooocidl como labia periódic:a. La labia periódica permi.. c1:tsirocar los elememos (axoo melalts. metaloides y no metales) y CQlTeI~ S!U propieobdcs de m;IIICra siSlCmitica. (2.4) • Se ,~n1 que los ¡¡tomos de la maror p"nc de los elC1!lenl05 intmIClPan para rOfma' compucs1M. lo¡ cuajes se clasi fiC3Jl como mol&:ulas OCOfll¡>UCSt05 ióniCO$ formados por Iones posili>'Os (cationes) e iones negativos (anione.). (2. S) Im~acolord.laerniaOn radiaclivaool radio (Ra). Los modeosmuestranelnúcleo oelf8 ' d io y los prod uctos de su descnmposicOOrlradiactil8; r¡. dón(Rn) y una parliculaaWa.la cual toene dos protones y dos losel«tmnes~ndlspersosalmledotdetlllldco.c;eiUldi.stanc:iadefl.(2.2) IIII!ronO!s.EI~udiodela'.· diactrvidad ayudO a me;orar al conocomien:o da los coentllicos aCQICadetaestruclUfa alOmlca. • Se anaJiur.i un COfIjunl<! de ",gi3s 'IIe ayld:uán 3 di! nom~ a los compuestos inor¡::l.nicos.. ( 2.7) • Átomos, moléculas e iones Despu~s se aprender.! a utiliu r fÓ<mu las qulmic3.'l (moleculall" y empírkas) p;1m "'presenlnr moIkulas y oom puestos iónicos y mode los pilr:l representar moI~culllS. (2.6) • E!.ce o;$pftulo termina 00II en el o;$phulo24. (2.8) UIIOI bre,,,, imrocluc:ción al tc/lU del mundo orgánico 'Iue se rt1om~rá D~e~':::~::~:m:lde~ ~::~n:=~~~.::,:!:!! ~~~:. !:~:~ piM del ,i lllo XIX . En la aOlualid~d se ~be que toda la matona esm form~da por átomos, molk ulas e iones. La qulmica siempre se relaci ona, de una u otro forma. con " SIM especies. La loorlalU6miCl Laestrucl uradel4tomo Numero atómie<l. numero de masa e isóto pos ,.. Ul labla periódica Fómml;uqllfm;o;:a.. Nomenclatura de los compuestos ImroducciÓll a los compuest05 0rgáni cos " " ' ,,-1
http://carlos2524.jimdo.com/ Prefacio Los comentarios al margen proporcionan información adicional sobre datos importantes, o remiten a alguna sección posterior en la cual se detallará con mayor profundidad determinado concepto o a una sección útil para repasar el material. Las imágenes de modelos moleculares abundan en los márgenes, lo que permite a los estudiantes "ver" la molécula que se está analizando en el texto. El icono de tabla periódica en el margen ilustra las propiedades de los elementos de acuerdo con sus posiciones en la tabla. 1'22 xxvü Reacdoncs en di sol ución acoosa nium por completo. es decir, son electróli tos dé bi les. La iOlli zaci6n del ácido a<;tlioo se representa como donde CHJCOO' es el ion acetato. El tf nnino iOlli:JJción se utiJi u para describir la separ.:!- ción de k idos y bases en iones.. Al escribir la fórmula del ácido acéti ro como CH,cOOH. se indi ca que e l protón ionizable está e ll el grupo COOH. La ionización del ácido acético se escribe con doble flecha ¡»m ind icar que la refJcci6n es rCI'crsible, es deci r. la rtucci6n puede $Iu::eder en ambos l'l mtido:f. Inicialmellle, varias CH,COOH moléculas de CH¡COOH se separan en iones C H)COO' y H+, Con el ti e mpo. ulgun os ione s CHJCOO' y H ~ vuelven a combin3rse pora forma r moléclllns de C H1COOH. finalm en te, se llega a un es t~do en e l qu e las mol~cu l as de ácido se ioni ziln con la misma rnp id cz con laqu e vue lve n n combina rse los iones. A es te estado químico, cnc l quc no se obseTVa ca mbio ne to alguno (aunque a nivel molecu la r continúa la actividad) se le ll ama equilibrio qu(mico. El ácido acético es, entonce,o¡, un e lectról ito débil porque su ion ización en agua es incompleta. En cont rnste, en una disoluc ió n de ácido clorhídrico los iones H ' Y CI- no tienden a 'olver a combinarse para formar HCI molecular. Por lo tanto, se util iza una sola n echa para indicar q ue su ionización es completa. 4.2 R eacciones de precipitación La reacci6n de precipitaci6n es un tipo común de reacción en disolución acuosa que u cu· mcteri<fl por luforl/loci6n de urr prool/cto insoluble o precipitado. Un pruipitada es un s6· lido irlSolub/e que se separu de lu düo{uci611. En las reacciones de precipitación por lo lA H 2A 8A genera l partidpM compuestos iónicos. Por ejemplo, cuando se agrega una disolución acuo· sa de nitrato de plomo [Pb(NO J )2[ a una disol ución acuosa de yoduro de potas io (KI), se fonna un prec ip itado nmarillo de yodllro de pl omo (Pbl l ): 3A4ASA6A 7A N o F el S ementos que existen como moléculas diatómicas. Al final del capítulo se proporcionan instrumentos de apoyo para el estudio adicional, como el Resumen de datos y conceptos y también las Palabras clave, los cuales proporcionan al estudiante una visión instantánea del capítulo que se está revisando. El nitmlo de pobsio queda en disolución. L.. fi gura 4.3 muest ra cI progreso de esta r~c­ ción. La reacción nnterior es un ejemplo de una reacci6n de metótesis (ta mbi f n se denomi na reacción de doble desplazamien to), (JI/a "occi6" qlfe implica ti imen:wnbio de partes em" dos compuestos. (En este caso, los cationes en los dos oompuestos intercambi an a.nio-
http://carlos2524.jimdo.com/ XXV IlJ Prefacio MATERIALES DE APOYO Esta obra cuenta con interesantes complementos que fo rtalecen los procesos de enseñanza-aprendizaje, así como la evaluación de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más informaci ón y conocer la po lítica de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill. Reconocimientos Me gustaría reconocer el trabajo de los siguientes revisores y grupo de participantes, cuyos comentarios fueron de gran ayuda para InÍ en la preparación de esta nueva edición: Rex D. Ackerson Northern Oklahoma College Jeff Anderson Murray State University Jeff Appling Clemson University Elizabeth Arendt Community College of Rhode [sland Alexandru Bajaban Texas A & M University-Galveston David Ball Cleveland S/ate University Mufeed Basti North Carolina A & T Sta/e University Alan Bates University of MassachusettsDartmouth College Colin Bateman Brevard Community CoLlege Sr. Joanne Bauer Xavier University Paul Benoit University of Arkansas Laine Berghout Weber State University Conrad Bergo East Stroudsburg University Richard Biagioni Missouri State University Christine Bilicki Pasadena City College Dan Black Snow College John Blaha Columbia State Community College Jeffrey O. Boles Tennessee Technological University Wayne Bosma Bradley University David Boyajain Palomar College Robert G. Bryant University o.fVirginia Brian Buffin Western Michigan University Stuart Burris Western Kentucky University Bindy Chakravarty l-Jouston Community College David Chatfi eld Florida International University Joann Chickering Bellevue Community College Paul Ch irik Cornell University Bill Cleaver University of Vermont W. Lin Coker III Campbell University Robert Cordell Heidelberg College Ray Crawford San Jacinto College, Soulh Gary DeBoer LeTorneau University Pat Delaney Worcester Polytechnic lnstitute Yuanjian Deng Texas Southern University Mary Kate Donais Saint Anselm College Bill Durham University of Arkansas Jeffrey Evans University of Southem Mississippi Dr. Ewane Houston Community College "red Fickel Los Angeles Valley College Neil Fitzgerald Marist College Doug F lournoy lndian HilLs Community College Krishna Foster California Slate University-Los Ángeles Kristeen Fukunaga Palomar College Daquing Gao Queensborough Com.munity College Roy Garvey North Dakota State University Natarajan Geetha Palomar College Alicia Glatfelter Wilkes University Joel Goldberg University of Vermont Haro ld Goldwhite Cal!fornia State University-Los Ángeles Lisa Goss ldaho State University Gary Gray University o.f Alabama-Birnúngharn Gregory R. Hale University o.f Texas at Arlington Dale Hawley Kansas State University Sherman Henzel Monroe Communiry College arayan Hosmane Northern Illinois Un iversity Larry Houk University of Memphis Byron Howell 7:yler Junior College Wendy Innis-WhitehoLl se Universiry of Texas-Pan American Richard Jarman College of DuPage Eric Johnson Ball Sta te University Stacy Jones Northwest Mississippi Community College Carolyn Judd Houston Community College Don Jurkowitz Community College of Rhode [sland Kirk Kawagoe Fresno City College Robert Keil Moorpark College Neil Kestner Louisiana Stare Universiry Tracy Knowles Lexington Community College Patrick Ko lniak Louisiana State University Gerald Korenowski Rensselaer Polytechnic Institute Peter Krieger Palm Beach Community College Bette A. Kreuz University of Miclúgan-Dearborn Lennart H. Kullberg Winthrop Uni versily Jothi V. Kumar North Carolina A & T State University Brian Lamp Truman State University John Larese University ofTennessee-Kn.oxville
http://carlos2524.jimdo.com/ Prefacio Laurence Lavelle University of California-Los Ángeles Daniel Lawson University of Michigan-Dearborn Clifford LeMaster Boise State University Michael Lerner Oregon State Shannon Lieb Butler University Gerhard Lind Metro State College of Denver Arthur Low Tarleton University Rudy Luck Michigan Technological University Yinfa Ma University of Missouri-Rolla Mark Matthews Jefferson Community College Richard Nafshun Oregon State University Brian McBurnett California State University-Chico Debbie McClinton Brevard Community College Donald Mencer Wilkes University Dave Metcalf University ofVirginia Joyce Miller San Jacinto College Randy Miller California State University-Chico Renee R. Muro Oakland Community College Chip Nataro LaFayette College David Newman Bowling Creen State University Anne Nickel Milwaukee School of Engineering Daphne Norton Emory University Greg Oswald North Dakota State University Tom Otieno Eastern Kentucky University Jason Overby College ofCharleston Gholam Pahlavan Houston Community College Ruben Dario Parra DePaul University Manoj Patil Western Iowa Technical Community College Les Pesterfield Western Kentucky University Karl Peterson University ofWisconsin-River Falls Gary Pfeiffer Ohio University-Athens Joanna Piotrwoska Normandale Community College Henry Po California State University-Long Beach Steve Pruett Jefferson Community College Judy Ratliff Murray State University Carey S. Reed Penn State-Altoona JelTy Reed-Mundell Cleveland State University Michelle Richards-Babb West Virginia University B. Ken Robertson University of Missouri-Rolla Rhonda Robertson Jones Junior College Ellen Roskes Villa Julie College Tim Royappa University ofWest Florida James Rozell Tyler Junior College Susan Rutkowsky Drexel University Arthur Salido Mercer University xxix Karen Sanchez Florida Community College at Jacksonville Dennis Sardella Boston College Paul Schumacher United Sta tes Military Academy Nelson Scott California State Polytechnic University Will Seltzer University of Alabama-Huntsville Supriya Sihi Houston Community College Alka Shukla Houston Community College Shyam Shukla Lamar University Andy Slagle Rose State College Sheila Smith University of Michigan-Dearborn Kathie Snyder Winthrop University LalTy O. Spreer University ofthe Pacific Alan Stolzenberg West Virginia University Kathy Thrush Villanova University Wayne Tikkanen California State UniversityLos Ángeles Richard Toomey Northwest Missouri State University Frank TOlTe Springfield College Anthony Toste Missouri State University Kris Varazo Francis Marion University Maria Villarba Glendale Community College Dragic Vukomanovic University of MassachusettsDartmouth Rosie Walker Metropolitan State College of Denver Sheryl Wallace South Plains College Jeffrey Wardeska East Tennessee State University Phil Watson Oregon State University David Weiss University of Colorado at Colorado Springs Tracy Willis Texas Southern University Klaus Woelk University of Missouri-Rolla Frank Woodruff University of Southern Mississippi John Young Mississippi Sta te University James Zirnmerman Missouri Sta te University También quisiera agradecer a las siguientes personas por su contribución en los problemas al final de cada capítulo: Nancy Gardner California State University-Long Beach John Hagen California Polytechnic State University-San Luis Obispo Michael Jones Texas Tech University Jason Overby College ofCharleston Philip Reid University ofWashington Como siempre, me he beneficiado de las pláticas con mis colegas en Williams College y de la cOlTespondencia con muchos profesores internos y externos.
http://carlos2524.jimdo.com/ xxx Prefacio Es un placer agradecer el apoyo que me han brindado los siguientes miembros de la división de estudios universitarios: Tammy Ben, Doug Dinardo, Chad Grall, Tracy Konrardy, Kara Kudronowicz, Marty Lange, Michael Lange y Kurt Strand. En particular, me gustaría mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la producción en condiciones de tiempo muy limitadas, a David Hash por el diseño del libro, a John Leland por la investigación fotográfica, a Jake Theobald y Judi David por los recursos multimedia y a Tami Hod- ge, directora de marketing, por sus sugerencias y estímulo. También agradezco al editor de patrocinio, Thomas Timp, y al editor, Kent Peterson, por su apoyo y consejos. Por último, mi agradecimiento especial a Shirley Oberbroeckling, editora de desarrollo, por su cuidado y entusiasm~ en el proyecto, y por su supervisión en cada etapa de la elaboración de esta edición. Agradecemos la valiosa contribución de los siguientes profesores que participaron en la asesoría técnica de la versión en español de la novena edición: Randall Coffie Goedhoop ITESM, campus Guadalajara Susana Francisca Llesuy Universidad de Buenos Aires María del Carmen Grande Universidad de Buenos Aires Javier Ramírez Angulo ITESM, campus Estado de México Silvia Ponce López ITESM, campus Monterrey Nancy Martin Guaregua Universidad Autónoma MetropolitanaIztapalapa Verónica Martínez Miranda Universidad Autónoma del Estado de México campus Toluca Jorge Noriega Gaxiola Instituto Tecnológico de Culiacán Teresa Ávalos Munguía CUCEI, Universidad de Guadalajara e ITESM, campus Guadalajara Ma. del Carmen Doria Serrano Universidad Iberoamericana, Ciudad de México Raymond Chang Eduardo Zárate Márquez ITESM, campus Sinaloa Irma Salgado Escobar ITESM, campus Ciudad de México Ana María Mutio ITESM, Campus Toluca PaoJa Zarate Segura ESIME, Instituto Politécnico Nacional-Culhuacán Daisy Escobar Castillejos Universidad Autónoma de Chiapas Geolar Fetter Universidad de las Américas Puebla y Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Araceli Florido Segoviano ITESM, campus Querétaro Carmen Ma. Bojórquez Aldapa Instituto Tecnológico de Culiacán
http://carlos2524.jimdo.com/ a química general se percibe, comúnmente, como una materia más difíc.il que otras. Existe cierta justificación para tal creencia. Por una parte, tiene un lenguaje muy especializado. Al prinCIpIO, estudiar qUllllica es como aprender un nuevo idioma. Más adelante, algunos de los conceptos son abstractos. Sin embargo, con cierto esmero, el estudiante completará con éxito este curso e incluso lo disfrutará. He aquí sugerencias que le ayudarán a formar buenos hábitos de estudio y a dominar el material de este texto: L • Asista a clases regularmente y tome notas con cuidado. • Si es posible, repase siempre los temas analizados en clase el mismo día que se cubrieron. El libro le ayudará a completar sus apuntes. • Piense de manera crítica. Pregúntese si en verdad comprendió el significado de un término o el, uso de una ecuación. Una buena manera de comprobar su comprensión es explicar un concepto a un compañero de clase o a otra persona. • No dude en pedir ayuda al profesor o a su asistente. Las henamientas de la novena edición de Química fueron diseñadas para capacitarlo en el buen desempeño dentro de su curso de química general. La siguiente guía explica cómo obtener plena ventaja del texto, la tecnología y otras herramientas. • Antes de entrar de lleno a un capítulo, revise la organización del mismo y lea la introducción para darse una idea de los temas importantes. Tome apuntes en clase con base en la organización del capítulo. • Al final de cada capítulo aparece un resumen de datos y conceptos, así como una lista de palabras clave, que le ayudarán a prepararse para los exámenes. • Las definiciones de las palabras clave pueden estudiarse en contexto en las páginas señaladas en la lista al final del capítulo, o bien, en el glosario del libro. • El estudio cuidadoso de los ejemplos numerados, que se intercalan en el cuerpo de cada capítulo, mejorará su habilidad para analizar los problemas y efectuar los cálculos necesarios para resolverlos. Tómese su tiempo para trabajar en el ejercicio que sigue a cada ejemplo, pues le servirá para asegurarse de haber comprendido la forma de resolver el tipo de problema en turno. Las respuestas a los ejercicios aparecen al final del capítulo, después de los problemas de tarea. Para una práctica adicional, remítase a los problemas similares indicados en el margen junto al ejemplo. • Las preguntas y los problemas al final de capítulo fueron organizados por sección. • La parte interior de la cubierta muestra una lista de cifras importantes y de tablas con referencias a las páginas. Este índice facilita buscar con rapidez la información cuando usted se encuentra resolviendo problemas o estudiando problemas relacionados en diferentes capítulos. Si sigue estas sugerencias, y se mantiene al día con sus tareas, encontrará que la química es desafiante, pero menos difícil y mucho más interesante de lo que imaginó. Raymond Chang xxxi
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http://carlos2524.jimdo.com/ Un globo lleno de hidrógeno explota al calentarlo con una flama. El hidrógeno gaseoso reacciona con el oxígeno que está en el aire para formar vapor de agua. La química es el estudio de las propiedades de la materia y de los cambios que ésta experimenta. Los modelos presentan las moléculas de hidrógeno, oxígeno y agua. Química El estudio del cambio 1.1 Química: una ciencia para el siglo 1.2 El estudio de la química 1.3 . El método científico 1.4 Clasificación de la materia 1.5 Los tres estados de la materia XXI 1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia 1.7 Mediciones 1-8 El manejo de los números 1.9 Análisis dimensional en la resolución de problemas
http://carlos2524.jimdo.com/ AVANCE DEL CAPÍTULO • Este capítulo da inicio con una breve introducción al estudio de la química y su función dentro de la sociedad moderna. (1.1 y 1.2) • A continuación se conocerán las bases del método científico, el cual es una metodología sistemática para la investigación en todas las disciplinas. (1.3) • Se definirá el concepto de materia y se observará que una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. Se distinguirá entre una mezcla homogénea y una heterogénea. Se aprenderá que, en principio, toda la materia puede existir en cualquiera de tres estados: sólido, líquido o gaseoso. (1 04 Y 1.5) • Para caracterizar una sustancia es necesario conocer sus propiedades físicas, las cuales son observables sin que sus propiedades químicas e identidad sufran cambio alguno, lo que sólo puede demostrarse mediante cambios químicos. (1.6) • Debido a que la química es una ciencia experimental, implica el uso de las mediciones. Se conocerán las unidades básicas del SI (Sistema Internacional de medidas) y se emplearán sus unidades derivadas en cantidades como el volumen y la densidad. También se estudiarán las tres escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. (1.7) • Con frecuencia, los cálculos químicos implican el uso de cantidades muy pequeñas o muy grandes, y una manera conveniente para tratar con algunas de estas cifras es la notación científica. En los cálculos o mediciones cada cantidad debe presentar el número adecuado de cifras significativas, las que corresponden a dígitos importantes. (1.8) • Por último, se entenderá la utilidad del análisis dimensional para los cálculos químicos. Alllevar cada unidad a lo largo de la secuencia completa de cálculos, todas las unidades se cancelan, a excepción de la cantidad buscada. (1.9) a química es una ciencia activa y en evolución que tiene importancia vital en nuestro planeta, tanto en la naturaleza como en la sociedad. Aunque sus raíces son antiguas, la química es en todos sentidos una ciencia moderna, como se verá poco más adelante. Se iniciará el estudio de la química en el nivel macroscópico, en el que es posible observar y medir los materiales que forman nuestro mundo. En este capítulo se analizará el método científico, que es la base para la investigación no sólo en química, sino también en las demás ciencias. Luego, se descubrirá la forma en que los científicos definen y caracterizan a la materia. Posteriormente, se conocerán los sistemas de medición usados en el laboratorio. Por último, se dedicará un poco de tiempo al aprendi zaje del manejo de los resultados numéricos de las mediciones químicas y a la resolución de problemas numéricos. En el capítulo 2 dará inicio la exploración del mundo microscópico de átomos y moléculas. L 3
http://carlos2524.jimdo.com/ 4 Química: El estudio del cambio 1.1 Química: una ciencia para el siglo El ideograma chino para el término química significa "el estudio del cambio". XXI La química es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le considere como la ciencia central, ya que los conocimientos básicos de química son indispensables para los estudiantes de biología, física, geología, ecología .y muchas otras disciplinas. De hecho, la química es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella, nuestra vida sería más breve en lo que llamaríamos condiciones primitivas, sin automóviles, electricidad, computadoras, discos compactos ni muchas otras comodidades modernas. Aunque la química es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al siglo XIX, cuando los adelantos intelectuales y tecnológicos permitieron que los científicos separaran sustancias en sus componentes y, por lo tanto, explicaran muchas de sus características físicas y químicas. El desarrollo acelerado de tecnología cada vez más refinada durante el siglo xx nos ha brindado medios cada vez mayores para estudiar lo que es inapreciable a simple vista. El uso de las computadoras y microscopios especiales, por citar un ejemplo, permite que los químicos analicen la estructura de los átomos y las moléculas -las unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la química- y diseñen nuevas sustancias con propiedades específicas, como fármacos y productos de consumo no contaminantes. En este principio del siglo XXI conviene preguntarse qué función tendrá la ciencia central en esta centuria. Es casi indudable que la química mantendrá una función fundamental en todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Antes de profundizar en el estudio de la materia y su transformación, consideremos algunas fronteras que los químicos exploran actualmente (figura l.1). Sin importar las razones por las que el estudiante tome un curso de introducción a la química, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitirá apreciar sus efectos en la sociedad y en su propia persona. Salud y medicina Tres logros importantes en el siglo xx han permitido la prevención y tratamiento de enfermedades. Se trata de medidas de salud pública que establecieron sistemas sanitarios para proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas; la cirugía con anestesia, que ha posibilitado a los médicos para curar enfermedades posiblemente mortales, como la apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibióticos, que hicieron factible la prevención de enfermedades causadas por microorganismos. La terapia génica al parecer será la cuarta revolución en la medicina. (Los genes son la unidad básica de la herencia.) Se cuentan por miles las enfermedades conocidas, entre ellas la fibrosis quística y la hemofilia, ocasionadas por un daño heredado de un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cáncer, enfermedades cardiacas, SIDA y artritis, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno o más genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo. En la terapia génica se inserta un gen sano específico en las células del paciente para curar o aminonu: esos trastornos. A fin de ejecutar esos procedimientos, el médico debe tener conocimientos sólidos de las propiedades químicas de los componentes mOleculare,s implicados. La descodificació n del genoma humano, que comprende todo el material genético de nuestro organismo y desempeña una función esencial en la terapia génica, se basa principalmente en técnicas químicas. Los químicos de la industria farmacéutica investigan fármacos potentes con pocos o nulos efectos adversos para el tratamiento del cáncer, SIDA y muchas otras enfermedades, además de fármacos para aumentar el número de trasplantes exitosos de órganos. En una escala más amplia, mejorar nuestra comprensión sobre el mecanismo del envejecimiento permitirá lograr esperanza de vida más prolongada y saludable para los habitantes del planeta. Energía y ambiente La energía es un producto secundario de muchos procesos químicos, y al continuar el aumento en su demanda, tanto en países industrializados, entre ellos Estados Unidos, como en
http://carlos2524.jimdo.com/ 1.1 Química: una ciencia para el siglo a) b) e) Figura 1.1 a) Resultado de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada línea muestra una secuenc ia (indicada por colores distintos) obtenida de muestras distintas de ADN . b) Celdas fotovoltaicas. c) Oblea de silic io en fabricac ión. d) La hoja de la izquierda se tomó de una planta de tabaco no sometida'a ingeniería genéti ca y expuesta a la acción del gusano del tabaco. La hoja de la derecha sí fue someti da a ingeniería genéti ca y apenas la atacaron los gusanos. Es facti bl e aplicar la misma técnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas. naciones en vías de desarrollo, como China, los químicos intentan activamente encontrar nuevas fuentes de energía. En la actualidad, las principales fuentes de energía son los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos combustibles durarán otros 50 a 100 años con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente encontrar fuentes alternas. La energía solar al parecer es una fuente viable de energía para el futuro . Cada año, la superficie terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energía contenida en todas las reservas conocidas de carbón, petróleo, gas natural y uranio combinadas. Sin embargo, gran parte de esa energía se "desperdicia" al reflejarse hacia el espacio exterior. En los últimos 30 años , las intensas actividades de investigación han mostrado que la energía solar puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es su conversión directa en electricidad mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en usar la luz solar para obtener hidrógeno a partir del agua. Luego, el hidrógeno alimenta a una celda combustible para generar electricidad. Aunque se han logrado adelantos en los conocimientos del proceso científico de conversión de la energía solar en electricidad, la tecnología todavía no ha mejorado al punto de que sea factible producir electricidad en gran escala y con costo económicamente aceptable. Sin embargo, se ha predicho que para el año 2050 la energía solar satisfará más de 50% de las necesidades energéticas. XXI 5
http://carlos2524.jimdo.com/ 6 Química: El estudio del cambio Otra posible fuente de energía es la fisión nuclear, si bien el futuro de la industria nuclear en Estados Unidos y otros países es incierto a causa de preocupaciones ambientalistas sobre los desechos radiactivos de los procesos de fisión. Los químicos pueden ayudar en el mejoramiento del destino final de los desechos nucleares. La fusión nuclear, el proceso que ocurre en el sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energía.sin producir muchos desechos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusión nuclear se convierta en una fuente significativa de energía. La producción y utilización de la energía se relacionan estrechamente con la calidad del ambiente. Una desventaja importante de quemar combustibles fósiles es que se produce dióxido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el calentamiento de la atmósfera terrestre), además de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, que producen la lluvia ácida y el esmog. (El aprovechamiento de la energía solar no tiene esos efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automóviles eficientes en el consumo de combustibles y de convertidores catalíticos más efectivos debe pennitir una reducción considerable de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmósfera en las áreas con tránsito vehicular intenso. Además, debe aumentar el uso de automóviles eléctricos equipados con baterías duraderas y de automóviles híbridos, alimentados por baterías y gasolina, lo que ayudará a minimizar la contaminación atmosférica. Materiales y tecnología La investigación y el desarrollo de la química en el siglo xx han generado nuevos materiales con efecto de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a mejorar la tecnología de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos son lbs polímeros (incluidos el caucho y el nailon) , la cerámica (como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales líquidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos (como los usados en notas adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de látex). ¿Qué nos reserva el futuro cercano? Algo muy probable es el uso de materiales superconductores a temperatura ambiente. La electricidad se conduce por cables de cobre, que no son conductores perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energía eléctrica se pierde en forma de calor entre la planta generadora de electricidad y los hogares u oficinas, lo que constituye un desperdicio enorme. Los superconductores son materiales desprovistos de resistencia eléctrica, y por lo tanto conducen la electricidad sin pérdida de energía. Aunque el fenómeno de la superconductividad a temperaturas muy bajas (más de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congelación del agua) se ha conocido durante más de 80 años, un adelanto importante a mediados del decenio de 1980 reveló que es posible fabricar materiales que actúen como superconductores a la temperatura ambiente o cerca de ella. Los químicos han ayudado en el diseño y síntesis de nuevos materiales promisorios en dicha búsqueda. En los 30 años siguientes, veremos la aplicación en gran escala de superconductores a altas temperaturas en la resonancia magnética de imágenes (RMI) , trenes de levitación magnética y fusión nuclear. Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnológico que ha conformado nuestras vidas más que ningún otro, habría que señalar a las computadoras. El "motor" que impulsa la revolución de las computadoras es el microprocesador -el diminuto chip de silicio que ha servido de base para numerosas invenciones, como las computadoras portátiles y apamtos de fax-. La eficiencia de los microprocesadores se juzga según la velocidad con la que realizan operaciones matemáticas, como la suma. El ritmo del progreso es tal que desde su advenimiento se ha duplicado la velocidad de los microprocesadores cada 18 meses. La calidad de un microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad para agregar la cantidad necesaria de otras sustancias, situación en que los químicos desempeñan una función importante en la investigación y desarrollo de chips de silicio. En el futuro, los científicos empezarán a explorar las perspectivas de la "computación molecular", es decir, la sustitución del silicio con moléculas. Las ventajas radican en que puede lograrse que ciertas moléculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se tendrían
http://carlos2524.jimdo.com/ 1.2 El estudio de la química computadoras ópticas, no electrónicas. Con base en la ingeniería genética apropiada, los científicos pueden sintetizar esas moléculas con microorganismos, que sustituirían a grandes fábricas. Las computadoras ópticas también tendrían una capacidad mucho mayor de almacenamiento que las electrónicas. Alimentos y agricultura ¿Cómo alimentar a la creciente población mundial? En países pobres, casi 80% de la fuerza laboral se dedica a la producción agrícola y la mitad del presupuesto familiar promedio se gasta en alimentos. Ello constituye una carga enorme para los recursos de esas naciones. Los factores que afecta~l a la producción agrícola son la riqueza del suelo, los insectos y enfermedades que dañan a los cultivos, y otras plantas que compiten por los nutrientes. Además de la irrigación, los agricultores recurren a fertilizantes y plaguicidas para mejorar la productividad de sus cultivos. Desde el decenio de 1950, el tratamiento de los cultivos infestados por plagas ha consistido a veces en la aplicación indiscriminada de compuestos químicos potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos nocivos graves en el ambiente. Inclusive el uso excesivo de fertilizantes es dañino para el suelo, el agua y la atmósfera. A fin de satisfacer la demanda de alimentos en el siglo XXI, deben idearse estrategias novedosas para la actividad agrícola. Se ha demostrado ya que con la biotecnología es posible obtener cultivos más abundantes y de mejor calidad. Estas técnicas se han aplicado a muchos productos agrícolas , no sólo para mejorar su producción, sino también para obtener más cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que cierta bacteria produce una proteína tóxica para las orugas que comen hojas. La inclusión del gen que codifica la toxina en las plantas cultivadas les brinda protección contra ellas, de modo que no se requieran los pesticidas. Los investigadores también han encontrado la forma de prevenir la reproducción de las plagas de insectos. Los insectos se comunican entre sí al emitir moléculas especiales, llamadas feromonas, ante las cuales reaccionan. La identificación y la síntesis de feromonas implicadas en el apareamiento permite interferir en el ciclo reproductivo normal de plagas comunes, por ejemplo, al inducir el apareamiento reproductivo prematuro de los insectos o engañar a las hembras para que se acoplen con machos estériles. Por añadidura, los químicos pueden idear formas de aumentar la producción de fertilizantes menos dañinos para el ambiente y sustancias que eliminen selectivamente a las hierbas nocivas. 1.2 El estudio de la química En comparación con otras disciplinas, es habitual la idea de que la química es más difícil, al menos en el nivel básico. Dicha percepción se justifica hasta cierto punto; por ejemplo, es una disciplina con un vocabulario muy especializado. Sin embargo, inclusive si éste es el primer curso de química que toma el estudiante, ya está familiarizado con el tema mucho más de lo que supone. En las conversaciones cotidianas, se escuchan palabras relacionadas con la química, si bien no necesariamente usadas en el sentido científicamente correcto. Son ejemplo de ello términos como "electrónica", "salto cuántico", "equilibrio", "catalizador", "reacción en cadena" y "masa crítica". Además, si el lector cocina, ¡entonces es un químico en ejercicio! Gracias a su experiencia en la cocina, sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que si deja hervir el agua en la estufa llega un momento en que se evapora por completo. También aplica los principios de la química y la física cuando usa el bicaóonato de sodio en la elaboración de pan; una olla a presión para abreviar el tiempo de preparación de guisos, y añade ablandador de carnes a un platillo, exprime un limón sobre rebanadas de pera para evitar que se tornen parduscas o sobre el pescado para minimizar su olor, o añade vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los días observamos esos cambios sin pensar en su naturaleza química. El propósito de este curso es hacer que el estu- 7
http://carlos2524.jimdo.com/ 8 Química: El estudio del cambio Figura 1.2 Vista mo lecular simp lificada de la formación de la herru mbre (Fe 20 3 ) a parti r de átomos de hierro (Fe) y moléculas de oxígeno (0 2 ), En realidad, el proceso requ iere agua y la herrumbre también contiene moléculas de agua. diante piense como químico, que vea el mundo macroscópico -lo que podemos ver y tocar directamente- y visualice las partículas y fenómenos del mundo microscópico que no podemos experimentar sin la tecnología moderna y nuestra imaginación. Al principio es factib le que al estudiante le resulte confuso que su profesor de química y este libro alternen continuamente entre los mundos microscópico y macroscópico. Simplemente debe tener en mente que los datos de las investigaciones químicas suelen provenir de observaciones de fenómenos a gran escala, si bien las explicaciones suelen radicar en el mundo microscópico invisible e imaginario de átomos y moléculas. En otras palabras, los químicos frecuentemente ven algo (en el mundo macroscópico) y piensan en algo más (en el mundo microscópico). Por ejemplo, al observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un químico pensaría en las propiedades básicas de los átomos individuales de hierro y la forma en que interaccionan dichas unidades con otros átomos y moléculas para producir el cambio observado. 1.3 El método científico Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de lo que se denomina método científico, que es un enfoque sistemático para la investigación. Por ejemplo, un psicólogo que pretende indagar el efecto del ruido en la capacidad de las personas para aprender química y un químico interesado en medir el calor liberado por la combustión del hidrógeno gaseoso en presencia de aire utilizarían aproximadamente el mismo procedimiento en sus investigaciones. El primer paso consiste en definir minuciosamente el problema. El siguiente es realizar experimentos, elaborar observaciones detalladas y registrar la información, o datos, concernientes al sistema, es decir, a la parte del universo que se investiga. (En los ejemplos recién mencionados, los sistemas son el grupo de personas que estudia el psicólogo y una mezcla de hidrógeno y aire, respectivamente.) Los datos obtenidos en una investigación pueden ser cualitativos, o sea, consistentes en observaciones generales acerca del sistema, y cuantitativos, es decir, comprende los nú-
http://carlos2524.jimdo.com/ 1.3 El método científico 11 Observación I:-------.¡;I Representación l:-------.¡-I t meros obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los químicos usan símbolos y ecuaciones estandarizados en el registro de sus mediciones y observaciones. Esta forma de representación-no sólo simplifica el proceso de registro, sino que también constituye una base común para la comunicación con otros químicos. Una vez terminados los experimentos y registrados los datos, el paso siguiente del método científico es la interpretación, en la que el científico intenta explicar el fenómeno observado. Con base en los datos recopilados, el investigador formula una hipótesis, .9ue es ...!!:!!:.a explicación te!!:.ta ~iva de un conjunto de observaciones .r L~ego, se diseñan experimentos adicionales para verificar la validez de la hipótesis en tantas formas como sea posible y el proceso se inicia de nuevo. En "la figura 1.3 se resumen los pasos principales del proceso de investigación. Después de recopilar un gran volumen de datos, es frecuente que sea aconsejable resumir la información de manera concisa, como una ley. En la ciencia, una leyes un enunciado conciso, verbal o matemático, de una relación entre f enómenos que es siempre la misma bajo las mismas condicio'!!!.§J Por ejemplo, la segunda ley del movimiento de Sir Isaac Newton , que el lector tal vez recuerde de sus cursos de física, afirma que la fuerza es igual a la masa por la aceleración (F = ma). El significado de esta leyes que el aumento en la masa o en la aceleración de un objeto siempre incrementa proporcionalmente su fuerza, en tanto que una disminución en la masa o en la aceleración invariablemente reduce su fuerza. Las hipótesis que resisten muchas pruebas experimentales de su validez pueden convertirse en teorías. Una teoría es un principio unificador que explica un conjunto de hechos o las leyes basadas' en esos hechos. Las teorías también son so metid;:;s a valoración constanú~ . Si una teoría es refutada en un experimento, se debe desechar o modificar para hacerla compatible con las observaciones experimentales. Aprobar o descartar una teoría puede tardarse años o inclusive siglos, en parte por la carencia de la tecnología necesaria. La teoría atómica, que es tema del capítulo 2, es un ejemplo al respecto. Se precisaron más de 2 000 años para confirmar este principio fundamental de la química que propuso Demócrito, un filósofo de la antigua Grecia. Un ejemplo más contemporáneo es la teoría del Big Bang sobre el origen del universo, que se comenta en la página 10. Los adelantos científicos pocas veces, si acaso, se logran de manera rígida, paso a paso. En ocasiones, una ley precede a la teoría correspondiente, o viceversa. Es posible que dos científicos empiecen a trabajar en un proyecto exactamente con el mismo objetivo y terminen con enfoques del todo distintos. Después de todo, los científicos son seres humanos y su forma de pensar y trabajar está sujeta a influencia considerable de sus antecedentes, capacitación y personalidad. El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y a veces ilógico. Los grandes descubrimientos son resultado de las contribuciones y experiencias acumuladas de muchos investigadores., pese a que el crédito por la formulación de una teoría o ley por lo regular se otorga a una sola persona. Por supuesto, la suerte es un factor en los descubrimientos científicos, si bien se ha afirmado que "las oportunidades favorecen a las mentes preparadas". Se requiere atención y capacidad para reconocer la importancia de un descubrimiento accidental y sacar máximo provecho de él. Es muy frecuente que el público general se entere sólo de los adelantos científicos espectaculares. Sin embargo, por cada una de esas historias muy conocidas existen cientos de casos de científicos que han dedicado años a trabajar en pro- o. 9 Figura 1.3 Los tres niveles del estudio de la química y su relaCión. La ob servación corresponde a fenómenos en el mundo macroscópico; los átomos y moléculas conforman el mundo microscópicoo La rep resentación es una escritura científica abreviada que describe un experi mento con símbolos y ecuaciones químicas. Los químicos usan su conocimiento de los átomos y moléculas para explicar un fenómeno observado.
http://carlos2524.jimdo.com/ L A Q . u í / M I e A · n aCClon e El helio primordial y la teoría del Big Bang lIi De dónde venimos? ¿Cómo se originó el universo? Los seres {;, humanos nos hemos hecho estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La búsqueda de respuestas constituye un ejemplo del método científico. En el decenio de 1940, el físico ruso-estadounidense George Gamow planteó la hipótesis de que el universo se inició miles de millones de años atrás con una explosión gigantesca, el Big Bang. En esos primeros momentos, el universo ocupaba un volumen diminuto y su temperatura era más alta de lo irrw.ginable. Esta brillante bola de fuego de radiación mezclada con partículas microscópicas de materia se enfrió gradualmente, hasta que se formaron los átomos. Por la influencia de la fuerza de gravedad, estos átomos se agruparon para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Vía Láctea. El concepto de Gamow es interesante y muy provocativo. Se ha puesto a prueba experimentalmente de diversas maneras. Por principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo está en expansión, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras a gran velocidad. Este hecho es compatible con el nacimiento explosivo del universo. Al imaginar tal expansión en retroceso, como cuando se rebobina una película, los astrónomos han deducido que el universo se inició hace unos 13 000 millones de años. La segunda observación que sustenta la hipótesis de Gamow es la detección de radiación cósmica de fondo. A lo largo de miles de millones de años, ¡el universo inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una temperatura de 3 K (o sea, -270°C)! A esta temperatura, gran parte de la energía corresponde a la región de microondas. Puesto que el Big Bang habría ocurrido simultáneamente en todo el diminuto volumen del universo en formación, la radiación que generó debe haber llenado todo el universo. Así pues, la radiación debe ser la misma en todo el universo que observamos. De hecho, las señales de microondas que registran los astrónomos son independientes de la dirección. El tercer dato que sustenta la hipótesis de Gamow es el descubrimiento del helio primordiaL Los científicos piensan que el helio y el hidrógeno (los elementos más ligeros) fueron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolución cósmica. (Se cree que otros elementos más pesados, como el carbono, nitrógeno y oxígeno, se formaron más adelante por reacciones nucleares en las que participaron el hidrógeno y el helio, en el centro de las estrellas.) De ser así, un gas difuso formado por hidrógeno y helio se habría diseminado por todo el universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias. En 1995, los Foto a color de alguna galaxia distante, incluyendo la posición de un quasar. astrónomos que analizaron la luz ultravioleta proveniente de un lejano quasar (poderosa fuente de luz y de señales de radio que se considera como una galaxia en explosión en el borde del universo) descubrieron que una parte de la luz era absorbida por los átomos de helio en su trayecto a la Tierra. Puesto que el quasar en cuestión dista de nuestro planeta más de 10 000 millones de años luz (un año luz es la distancia que recorre la luz en un año), la luz que llega a la Tierra corresponde a fenómenos que ocurrieron hace más de 10 000 millones de años. ¿Por qué el hidrógeno no fue el elemento más abundante que se detectó? El átomo de hidrógeno tiene un solo electrón, que se desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionización. Los átomos de hidrógeno ionizados no pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por otra parte, el átomo de helio tiene dos electrones. La radiación puede quitarle al helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos. Los átomos de helio ionizados todavía absorben luz y, por lo tanto, son detectables. Los defensores de la explicación de Gamow se regocijaron ante la detección de helio en los confines distantes del universo. En reconocimiento de todos los datos sustentadores, los científicos ahora se refieren a la hipótesis de Gamow como teoría del Big Bang. yectos que finalmente terminaron siendo infructuosos, y en los que se logran resultados positivos sólo después de muchos errores y a un ritmo tan lento que pasan inadvertidos. Sín embargo, inclusive esas investigaciones infructuosas contribuyen de alguna manera al avance continuo del conocimiento del universo físico. Es el amor por la investigación lo que mantiene en el laboratorio a muchos científicos. 10
http://carlos2524.jimdo.com/ 1.4 Clasificación de la materia 11 1.4 Clasificación de la materia Al principio del capitulo se define la química como el estudio de la materia y los cambios que experimenta. La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. La materia incluye lo que se puede ver y tocar (como el agua, la tierra y los árboles) y lo que no se puede ver ni tocar (como el aire). Así pues, todo en el universo tiene una conexión "química". Los químicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composición y propiedades. La clasificación de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos, además de los átomos y moléculas, que se estudian en el capítulo 2. Sustancias y mezcias Una sustancia es una forma de materia que tiene composición definida (constante) y propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azúcar de mesa (sacarosa), oro y oxígeno. Las sustancias difieren entre sí por su composición y se pueden identificar según su aspecto, color, sabor y otras propiedades. Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la que éstas conservan sus propiedades distintivas. Algunos ejemplos familiares de ello son el aire, los refrescos, la leche y el cemento. ~as mezclas no poseen composición constante. Por lo tanto, las muestras de aire obtenidas en diferentes ciudades probablemente diferirán en su composición a causa de diferencias de altitud, contaminación atmosférica, etcétera. Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Cuando se disuelve una cucharada de azúcar en agua, se obtiene una mezcla homogénea, en la que la composición de la mezcla es uniforme. Sin embargo, al mezclar arena con virutas de hierro, tanto una como las otras se mantienen separadas (figura 1.4). En tal caso, se habla de una mezcla heterogénea porque su composición no es uniforme. Cualquier mezcla, sea homogénea o heterogénea, se puede formar y luego separar por medios físicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales componentes. Así pues, el azúcar se puede recuperar de una disolución en agua al calentar esta última y evaporarla por completo. La condensación del vapor permite recuperar el agua. En cuanto a la separación de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imán para separar las virutas Figura 1.4 a) La mezcla contiene virutas de hierro y arena. b) Un imán permite separar las virutas de hierro de la mezcla. Esta misma técnica se usa en mayor escala para separar hierro y acero de objetos no magnéticos, como aluminio, vi drio y plásticos . a) b)
http://carlos2524.jimdo.com/ 12 Química: El estudio del cambio TABLA 1.1 Nombre Algunos elementos comunes y sus símbolos Símbolo Nombre Símbolo Nombre Símbolo Aluminio Al Cromo Cr Oro Au Arsénico As Estaño Sn Oxígeno O Azufre S Flúor F Plata Ag Bario Ba Fósforo P Platino Pt Bismuto Bi Hidrógeno H Plomo Pb Bromo Br Hierro Fe Potasio K Calcio Ca Magnesio Mg Silicio Si Carbono C Manganeso Mn Sodio Na Cloro CI Mercurio Hg Tungsteno W Cobalto Co Níquel Ni Yodo 1 Cobre Cu Nitrógeno N Zinc Zn de hierro, ya que el imán no atrae a la arena misma (figura l.4b). Después de la separación, los componentes de la mezcla tendrán la misma composición y propiedades que al principio. Elementos y compuestos Las sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un elemento es una sustancia que no se puede separar en otras más sencillas por medios químicos. Hasta la fecha se han identificado 114 elementos. La mayoría de ellos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios científicos mediante procesos nucleares, que son tema del capítulo 23 de este texto. Por.conveniencia, los químicos usan símbolos de una o dos letras para representar a los elementos. La primera letra del símbolo siempre es mayúscula, no así la letra siguiente. Por ejemplo, Co es el símbolo del elemento cobalto, en tanto que ca es la fórmula de la molécula monóxido de carbono. En la tabla 1.1 se muestran los nombres y símbolos de algunos de los elementos más comunes, y en la segunda de forros de este texto aparece una lista completa de los elementos y sus símbolos. Los símbolos de algunos elementos se derivan de su nombre en latín, por ejemplo; Au de aurum (oro), Fe de ferrum (hierro) y Na de natrium (sodio), en cambio, en muchos otros casos guardan correspondencia con su nombre en inglés. En el apéndice 1 se incluye una lista del origen de los nombres de los elementos y de los científicos que los descubrieron. Los átomos de muchos elementos pueden interactuar entre sí para formar compuestos. Por ejemplo, la combustión del hidrógeno gaseoso con el oxígeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades difieren claramente de las correspondientes a los elementos que la forman. El agua consiste en dos partes de hidrógeno por una de oxígeno. Esta composición no se modifica, sin importar que el agua provenga de un grifo en Estados Unidos, de un lago en Mongolia Exterior o de las capas de hielo de Marte. Así pues, el agua es un compuesto, o sea, una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones fijas. A diferencia de las mezclas, los compuestos sólo se pueden separar en sus componentes puros por medios químicos. Las relaciones entre los elementos, compuestos y otras categorías de materia se resumen en la figura 1.5.
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  • 1. N ovena edición RAYMOND HANG ~R$~~~454 i,Ti/~AN G CA02330~~/~ ~~"II'/ 111/1/11111/1//11/ //111111111111111 Q UIMI
  • 2. 1 4 4B 40 5 24 7 7B Radio (226) Francia (223) 25 r--- 9 8B 11 lB Actinio (227) ~ 57 89 Ae 138.9 88.91 39 Niobio (257) Rul!Jerfordio 104 Rf (262) Bohrio Uranio 238.0 Protactinio U (231) Tono 91 Pa 90 Th 144.2 Neodimio Ceno 92 232.0 (237) Neptunio 93 Np (147) Pro""io 61 Pm (265) Hassio 108 Hs 107 Bh 60 Nd 140.9 Iridio (242) Plutonio 94 Pu 150.4 Samario 62 Sm (266) Meitneno 109 Mt 192.2 Osmio 190.2 Renio 102.9 Rodío Rh Ir 76 44 77 (243) Amcricio 95 Am 152.0 Europio - 63 Eu ,. (269) DarmsladlÍo 110 Ds 195.1 Platino Pt 12 2B Mercurio Oro (247) Cuno 96 Cm 157.3 Gadolinio 64 Gd . (272) R~ntgenio 111 Rg (247) Berielio Bk 158.9 Temio .65 Tb 112 200.6 79 Hg 112.4 Cadmio 48 Cd 65.39 Zinc Zn Au 197.0 78 Plata 107.9 Paladio 47 Ag 63.55 106.4 45 46 Pd Níquel 58.69 Cobre 2 278 Ni Cobalto Co 58.93 26 Os 10l.! Rutenio Ru 55.85 Hierro Fe 186.2 Praseodimio 140.1 43 75 Re (98) Tecnedo Te 59 Pr (263) Seaborgio 106 Sg 183.9 Tungsteno 74 W 95.94 Molibdeno 42 Mo 54.94 Manganeso Mn 58 Ce (260) Dubnío 105 Db Tántalo 180.9 72 Hf Halnio 73 Ta 91.22 178.5 92.91 Zirconio 41 Nb 52.00 Cromo Cr 29 Cu 10 -----¡ 30 97 Silicio S Arsénico (249) Califomío Cf 162.5 Disprosio 66 Dy (254) Einstenio 98 99 Es 164.9 Holmio 67 Ho (253) Fennio 100 Fm 167.3 Erbio Er 68 (115) (113) 114 Bismulo 209.0 Plomo 207.2 204.4 !terbío 173".0 (256) (254) Nobelio 101 Md Mendelevio 102 No 168.9 Tulio Tm 20.18 Neón 10 Ne 39.95 Argón 17 Ar .,. Helio 4.003 (257) uUTencio 1O~ Lr 175.0 Laecio 71 Lu (118) (222) Radón 85 86 Rn 131.3 Xenón 54 Xe 83.80 Cri~ón 35 36 Kr (U7) (210) Aslato At 69 70 Yb 84 116 (210) Polonio Po 83 Bi 82 81 Pb 126.9 Yodo Telurio 127.6 121.8 Es~ño 79.90 Bromo Br 35.45 Cloro CI 52 53 I 34 16 9 19.00 Aúor F 17 7A Te Antimonio Sb 78.96 Selenio Se 118.7 50 Sn 74.92 72.59 51 33 As 32.07 Fósforo 30.97 Azufre P 16.00 Oxígeno 14.01 Nill1igen~ Gennanio 31 32 Ge 28.09 15 8 O 16 6A 7 N Talio 80 TI 114.8 lodio 49 In 69.72 Galio Ga 26.98 Aluminio 15 SA 2 He 18 8A 18 La designación del grupo 1-18 ha sido recomendada por la Intemational Union of Pure and Applied Chemistry (ruPAC) pero aún no está en uso. En este texto se usa la notación . .estadounidense estándar para los grupos (lA-8A y 1B-8B). No se han asignado nombres para los elementos 112, 114 Y 116. Los elementos 113, 115, 117 Y 118 todavía no se han sintetizado. No metales Metaloides Metales 88 Ra 87 Fr Lantano Bario 56 Ba 55 Cs 137.3 La 87.62 Cesio lirio &troncio Rubidio 85.47 132.9 Zr Y 38 Sr Vanadio 50.94 1itanio 47.88 37 Rb 44.96 Escandio Calcio 40.08 23 V SB 22 Ti POIasio 21 Se 39.10 20 Ca 24.31 19 K Magnesio 14 Si 13 Al 12 Mg 11 Na Sodio 12.01 22.99 Camono Boro 10.81 6 Berilio C 14 4A 9.012 8 13 3A Litio 6 6B Masa atómica 5 B 3 3B Flúor 19.00 Número "Oro;" 4 Be 2 2A F C!J== 6.94 3 Li 1.008 Hidrógeno 1 H lA http://carlos2524.jimdo.com/
  • 3. http://carlos2524.jimdo.com/ Lista de elementos Elemento Actinio Aluminio Americio Antimonio Argón Arsénico Astato Azufre Bario Berilio Berkelio Bismuto Bohrio . Boro Bromo Cadmio Calcio Californio Carbono Cerio Cesio Cloro Cobalto Cobre Criptón Cromo Curio Darmstadtio Disprosio Dubnio Einstenio Erbio Escandio Estaño Estroncio Europio Fermio Flúor Fósforo Francio Gadolinio Galio Germanio Hafnio Hassio Helio Hidrógeno Hierro Holmio Indio Iridio Iterbio Itrio Lantano Laurencio Litio con sus símbolos y masas atómicas* ~mbolo Ac Al Am Sb Al' As At S Ba Be Bk Bi Bh B Br Cd Ca Cf C Ce Cs CI Co Cu' Kr Cr Cm Ds Dy Db Es El' Sc Sn Sr Eu Fm F P Fr Gd Ga Ge Hf Hs He H Fe Ho In Ir Yb Y La Lr Li Número atómico 89 13 95 51 18 33 85 16 56 4 97 83 107 5 35 48 20 98 6 58 55 17 27 29 36 24 96 110 66 105 99 68 21 50 38 63 100 9 15 87 64 31 32 72 108 2 1 26 67 49 77 70 39 57 103 3 Masa atómica* (227) 26.98 (243) 121.8 39.95 74.92 (210) 32.07 137.3 9.012 (247) 209.0 (262) 10.81 79.90 112.4 40.08 (249) 12.01 140.1 132.9 35.45 58.93 63.55 83.80 52.00 (247) (269) 162.5 (260) (254) 167.3 44.96 118.7 . 87.62 152.0 (253) 19.00 30.97 (223) 157.3 69.72 72.59 178.5 (265) 4.003 1.008 55.85 164.9 114.8 192.2 173.0 88.91 138.9 (257) 6.941 Elemento Símbolo Lutecio Magnesio Manganeso Meitnerio Mendelevio Mercurio Molibdeno Neodimio Neón Neptunio Niobio Níquel Nitrógeno Nobelio Oro Osmio Oxígeno Paladio Plata Platino Plomo Plutonio Polonio Potasio Praseodimio Proactinio Prometio Radio Radón Renio Rodio Roentgenio Rubidio Rutenio Ruterfordio Sarnario Seaborgio Selenio Silicio Sodio Talio Tántalo Tecnecio Telurio Terbio Titanio Torio Tulio Tungsteno Uranio Vanadio Xenón Yodo Zinc Zirconio Lu Mg Mn Mt Md Hg Mo Nd Ne Np Nb Ni N No Au Os O Pd Ag Pt Pb Pu Po K Pr Pa Pm Ra Rn Re Rh Rg Rb Ru Rf Sm Sg Se Si Na TI Ta Tc Te Tb Ti Th Tm W U V Xe 1 Zn Zr Número atómico 71 12 25 109 101 80 42 60 10 93 41 28 7 102 79 76 8 46 47 78 82 94 84 19 59 91 61 88 86 75 45 111 37 44 104 62 106 34 14 11 81 73 43 52 65 22 90 69 74 92 23 54 53 30 40 Masa atómica** 175.0 24.31 54.94 (266) (256) 200.6 95.94 144.2 20.18 (237) 92.91 58.69 14.01 (253) 197.0 190.2 16.00 106.4 107.9 195.1 207.2 (242) (210) 39.10 140.9 (231) (147) (226) (222) 186.2 102.9 (272) 85.47 101.1 (257) 150.4 (263) 78.96 28.09 22.99 204.4 180.9 (99) 127.6 158.9 47.88 232.0 168.9 183.9 238.0 50.94 131.3 126.9 65.39 91.22 * Todas las masas atómicas tienen cuatro cifras significativas. Estos valores son los que recomienda el Comité para la enseñanza de la química de la lnternational Unian of Pure and Applied Chemistry, ** Los valores aproximados de las masas atómicas se señalan entre paréntesis.
  • 7. http://carlos2524.jimdo.com/ Q .D31. Z C. 'f5 '{ ;:¿ CJ 0.:; Química Novena edición Raymond CHANG Williams College Revisión técnica: Rosa Zugazagoitia Herranz Profesora de Química Universidad Autónoma Metropolitana, Xochimilco UNAM, Facultad de Ciencias ...---- . -José Clemente Reza Profesor titular de Química General ESIQIE, Instituto Politécnico Nacional OD31 .2 C454 2007 RAYMOND CHANG 1111/1111111111111111111111111111111111111111111111111111111 0233006194 OUIMICA MÉXICO· BOGé>TÁ· BUENOS AIRES· CARACAS· GUATEMALA· LISBOA· MADRID NUEVA YORK. SAN JUAN • SANTIAGO· AUCKLAND· LONDRES. MILÁN MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO
  • 8. http://carlos2524.jimdo.com/ Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Editor spousor: Pablo E. Roig Vázquez Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Erika Jasso Hernán D' Bourneville QUÍMICA Novena edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor. _ _ McGraw-Hill Inleramericana DERECHOS RESERVADOS © 2007 respecto a la novena edición en español por McGRAW-HILLIINTERAMERICANA EDITORES , S.A. DE c.v. A Subsidiary ofThe McGraw-Hill Companies, ¡ne. Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón c.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN-13: 978-970-10-6111-4 ISBN-lO: 970-10-6111-X Traducido de la novena edición de: CHEMISTRY by Raymond Chang Copyright © 2007 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. La sección de créditos para este libro comienza en la página C- t y_se considera como. una extensión de la página legal. ISBN-lO: 0-07-298060-5 ISBN-13 : 978-0-07-298060-8 34567890 09765432108 Impreso en China por CTPS Printed in China by CTPS The McGraw-HIII Companles "';~,
  • 9. http://carlos2524.jimdo.com/ Acerca del autor Raymond Chang nació en Hong Kong y creció en Shangai y en Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en química por la London University, en Inglaterra y se doctoró en química en Yale University. Después de realizar su investigación posdoctoral en Washington University y enseñar durante un año en Hunter College of the City University of New York, se unió al departamento de química en Williams College, donde ha enseñado desde 1968. El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American Chemical Society Examination Comrnittee, el National Chemistry Olympiad Examination Comrnittee y. el Graduate Record Examinations (GRE) Comrnittee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. El profesor Chang ha escrito libros sobre fisicoquímica, química industrial y ciencia física. También ha participado como autor de libros sobre el idioma chino, libros infantiles de fotografías y una novela de literatura juvenil. Para relajarse, el profesor Chang cultiva un jardín selvático, juega tenis, ping-pong, toca la harmónica y practica el violín. Imágenes de la portada A la izquierda complejo Pb 2 + - AEDT. En medio: mapa del potencial electrostático que muestra la conformación del H2 a partir de dos átomos de H. A la derecha: estructura helicoidal-a de una molécula de proteína. v
  • 11. http://carlos2524.jimdo.com/ 1 Química: el estudio del cambio 2 Átomos, moléculas e iones 3 Relaciones de masa en las reacciones químicas 4 5 6 Reacciones en disolución acuosa 7 8 9 La teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos Gases 2 40 76 118 168 Termoquímica 222 Relaciones periódicas entre los elementos Enlace químico 1: Conceptos básicos 266 314 356 10 Enlace químico 11: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 398 11 Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 12 13 Propiedades físicas de las disoluciones Cinética química 450 502 544 14 Equilibrio químico 600 15 Ácidos y bases 644 16 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 17 Química en la atmósfera 750 18 Entropía, energía libre y equilibrio 782 19 Electroquímica 818 20 Metalurgia y la química de los metales 866 21 Elementos no metálicos y sus compuestos 894 22 Química de los metales de transición y compuestos de coordinación 934 23 24 25 Química nuclear 696 Química orgánica 966 1002 Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1038 Apéndice 1 Derivación de nombres de los elementos Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C Apéndice 4 Operaciones matemáticas A-1 A-7 A-8 A -13 vii
  • 13. http://carlos2524.jimdo.com/ Lista de aplicaciones xxi Prefacio xxiii Una nota para el estudiante xxxi Química: el estudio del cambio 2 1.1 1.2 1.3 Química: una ciencia para el siglo El estudio de la química El método científico 4 XXI 7 8 LA QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big-Bang 1.4 1.5 1.6 1.7 Clasificación de la materia 10 11 Los tres estados de la materia 13 Propiedades físicas y químicas de la materia Mediciones 14 15 LA QUíMICA en acción La importancia de las unidades 1.8 1.9 El manejo de los números 20 21 Análisis dimensional en la resolución de problemas Resumen de datos y conceptos Palabras clave 31 Preguntas y problemas 31 27 31 MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios 38 Átomos, moléculas e iones 40 2.1 2.2 2.3 2.4 La teoría atómica 42 La estructura del átomo 43 Número atómico, número de masa e isótopos La tabla periódica 49 50 LA QUíMICA en acción Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos 2.5 2.6 Moléculas e iones Fórmulas químicas 52 53 54 IX
  • 14. http://carlos2524.jimdo.com/ x .Contenido 2.7 2.8 Nomenclatura de los compuestos 59 Introducción a los compuestos orgánkos Resumen de datos y conceptos Palabras clave 70 . Preguntas y problemas 70 68 69 Relaciones de masa en las reacciones químicas 76 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Masa atómica 78 Número de Avogadro y masa molar de un elemento Masa molecular 79 83 El espectrómetro de masas 86 Composición porcentual de los compuestos 86 Determinación experimental de fórmulas empíricas Reacciones químicas y ecuaciones químicas Cantidades de reactivos y productos Reactivos limitantes 90 92 97 101 Rendimiento de reacción 103 LA QUíMICA en acción Fertilizantes químicos 104 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 107 Preguntas y problemas 107 106 Reacciones en disolución acuosa 118 4.1 Propiedades generales de las disoluciones acuosas 4.2 Reacciones de precipitación 122 LA QUíMICA en acción Una reacción de precipitación indeseable 4.3 4.4 Reacciones ácido-base 127 Reacciones oxidación-reducción 131 LA QUíMICA en acción Alcoholímetro 143 4.5 4.6 4.7 Concentración de las disoluciones 4.8 Valoraciones redox Análisis gravimétrico 148 Valoraciones ácido-base 150 153 LA QUíMICA en acción Metal proven iente del mar Resumen de datos y conceptos Palabras clave 156 J57 Preguntas y problemas 155 156 142 126 120
  • 15. http://carlos2524.jimdo.com/ xi Contenido MISTERIO de la química ¿Quién asesinó a Napoleón? 166 Gases 168 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 Sustancias que existen como gases Presión de un gas 170 171 Las leyes de los gases 175 Ecuación del gas ideal 181 La estequiometría de los gases 190 Ley de Dalton de las presiones parciales 192 La teoría cinética molecular de los gases 197 LA QUíMICA en acción El buceo y las leyes de los gases 198 LA QUíMICA en acción Átomos enfriados 205 5.8 Desviación del comportamiento ideal Resumen de datos y conceptos Palabras clave 209 209 Pregu:ntas Y problemas 206 209 MISTERIO de la química Sin oxígeno 220 Termoquímica 222 6.1 6.2 6.3 6.4 Naturaleza y tipos de energía 224 Cambios de energía en las reacciones químicas Introducción a la termodinámica Entalpía de las reacciones químicas 232 LA QUíMICA en acción Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta 6.5 Calorimetría 225 227 233 239 LA QUíMICA en acción Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias 6.6 246 LA QUíMICA en acción Cómo se defiende el escarabajo bombardero 6.7 Entalpía estándar de formación y de reacción 251 Calor de disolución y de dilución Resumen de datos y conceptos Palabras clave 254 Preguntas y problemas 255 MISTERIO de la química El neumático explosivo 264 254 252 245
  • 16. http://carlos2524.jimdo.com/ Xll Contenido Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 266 7.1 7.2 7.3 7.4 De la física clásica a la teoría cuántica El efecto fotoeléctrico Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno La naturaleza dual del electrón LA QUíMICA en acción Láser: la luz esplendorosa LA QUíMICA en acción Microscopía electrónica 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 268 272 274 279 280 283 Mecánica cuántica 283 Números cuánticos 286 Orbitales atómicos 288 Configuración electrónica 292 El principio de construcción Resumen de datos y conceptos Palabras clave 303 Preguntas y problemas 303 298 302 MISTERIO de la química Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio Relaciones periódicas entre los elementos 314 8.1 8.2 8.3 Desarrollo de la tabla periódica 316 Clasificación periódica de los elementos 318 Variaciones periódicas de las propiedades físicas LA QUíMICA en acción ¿El tercer elemento líquido? 8.4 Energía de ionización 8.5 8.6 Afinidad electrónica 329 329 333 Variación de las propiedades químicas de los elementos representativos 335 LA QUíMICA en acción El descubrimiento de los gases nobles Resumen de datos y conceptos Palabras clave 348 348 Preguntas y problemas 347 346 322 312
  • 17. http://carlos2524.jimdo.com/ Contenido xiii Enlace químico 1: Conceptos básicos 356 9.1 9.2 9.3 t.: ;zt.. _ ~ ;..ars........... J. ~ p~_f-L 11 al e ffrld 6 S~ F cttlj ~U~ .® - t.J~'¡';-- -'&'" tl}';- ~-, el Energía reticular de los compuestos iónicos ~ LA QUíM ICA en acción Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 El enlace covalente 366 Electronegatividad 369 Símbolos de puntos de Lewis El enlace iónico 358 359 Escritura de las estructuras de Lewis Carga formal y estructura de Lewis El concepto de resonancia 361 365 372 375 377 Excepciones a la regla del octeto 379 LA QU íMICA en acción Sólo diga NO 384 9.10 Entalpía de enlace 385 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 390 Preguntas y problemas 390 390 Enlace químico II: Geometría molecular e hibridación de orbitales atómicos 398 10.1 10.2 Geometría molecular Momento dipolar 400 409 LA QUíM ICA en acción Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción 10.3 10.4 10.5 Teoría del enlace valencia 10.6 10.7 10.8 Teoría del orbital molecular 412 415 Hibridación de orbitales atómicos 417 Hibridación en moléculas que contienen enlaces dobles y triples 426 429 Configuraciones de orbitales moleculares Orbitales moleculares deslocalizados Resumen de datos y conceptos 432 437 439 LA QUíM ICA en acción El buckybalón 440 Palabras clave 442 Preguntas y problemas 442 /
  • 18. http://carlos2524.jimdo.com/ xiv Contenido Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 450 11.1 La teoría cinética molecular de líquidos y sólidos 11.2 Fuerzas intermoleculares 453 11.3 Propiedades de los líquidos 459 11.4 Estructura cristalina 462 452 LA QUíMICA en acción ¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? 11.5 11.6 Difracción de rayos X por los cristales Tipos de cristales Sólidos amorfos 469 471 LA QUíMICA en acción Superconductores a altas temperaturas 11.7 463 476 476 LA QUíMICA en acción y todo por un botón 478 11.8 11.9 Cambios de fase Diagramas de fase 479 488 LA QUíMICA en acción Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión y el patinaje sobre hielo 490 LA QUíMICA en acción Cristales líquidos 491 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 493 Preguntas y problemas 494 493 Propiedades físicas de las disoluciones 502 12.1 Tipos de disoluciones 504 12.2 Enfoque molecular del proceso de disolución 505 12.3 Unidades de concentración 507 12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 511 12.5 Efecto de la presión en la solubilidad de los gases 513 12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrólitos 515 LA QUíMICA en acción El lago asesino 516 12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrólitos LA QUíMICA en acción Desalinización 530 12.8 Coloides 530 Resumen de datos y conceptos Palabras clave •534 Preguntas y problemas 534 MISTERIO de la química El cuchillo equivocado 542 534 528
  • 19. http://carlos2524.jimdo.com/ xv Contenido Cinética química 544 13.1 13.2 13.3 La velocidad de una reacción Ley de la velocidad 546 553 Relación entre la concentración de reactivos y el tiempo LA QUíMICA en acción Determinación de la edad del Sudario de Turín 13.4 13.5 568 Constantes de velocidad y su dependencia de la energía de activación y de la temperatura 557 568 Mecanismos de reacción 575 LA QUíM ICA en acción Femtoquímica 580 13.6 Catálisis 581 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 589 589 Preguntas y problemas 588 Equilibrio químico 600 14.1 El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio 602 14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio 604 14.3 Relación ente cinética química y equilibrio químico 616 14.4 ¿Qué información proporciona la constante de equilibrio? 617 14.5 Factores que afectan el equilibrio químico 623 LA QUíMICA en acción La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina 630 LA QUíM ICA en acción El proceso Haber 631 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 632 Preguntas y problemas 633 632 Ácidos y bases 644 15.1 Ácidos y.bases de Br¡;lnsted 646 15.2 Propiedades ácido-base del agua 647 15.3 El pH: una medida de la acidez 649 15.4 Fuerza de los ácidos y las bases 652 15.5 Ácidos débiles y la constante de ionización de un ácido 656 15.6 Bases débiles y la constante de ionización de una base 663 15.7 Relación entre las constantes de ionización de los ácidos y sus bases conjugadas 15.8 15.9 15.10 15.11 665 Ácidos dipróticos y polipróticos 666 Estructura molecular y fuerza de los ácidos Propiedades ácido-base de las sales 670 674 Propiedades ácido-base de los óxidos y los hidróxidos 679
  • 20. http://carlos2524.jimdo.com/ xvi Contenido 15.12 Ácidos y bases de Lewis 682 LA QUíMICA en acción Antiácidos y el balance del pH en el estómago Resumen de datos y conceptos Palabras clave 686 Preguntas y problemas 686 684 686 MISTERIO de la química La descomposición de los papeles 694 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 696 16.1 Comparación entre los equilibrios homogéneo y heterogéneo en disolución 698 16.2 16.3 Efecto del ion común 698 Disoluciones amortiguadoras 701 LA QUíMICA en acción Mantenimiento del pH de la sangre 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 Valoraciones ácido-base 706 708 Indicadores ácido-base 716 Equilibrios de solubilidad 718 Separación de iones por precipitación fraccionada El efecto del ion común y la solubilidad El pH Y la solubilidad 725 727 728 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad LA QUíMICA en acción ¿Cómo se forma un cascarón de huevo 731 737 16.11 Aplicación del principio del producto de solubilidad al análisis cualitativo 737 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 740 Preguntas y problemas 740 739 MISTERIO de la química Un duro bocadillo 748 Química en la atmósfera 750 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 La atmósfera terrestre 752 Los fenómenos en las capas externas de la atmósfera Disminución del ozono en la estratosfera Los volcanes 762 El efecto invernadero La lluvia ácida 763 767 El esmog fotoquímico 771 Contaminación doméstica 773 757 755
  • 21. http://carlos2524.jimdo.com/ xvii Contenido Resumen de datos y conceptos Palabras clave 776 Preguntas y problemas 776 776 Entropía, energía libre y equilibrio 782 18.1 18.2 18.3 18.4 Las tres leyes de la termodinámica Los procesos espontáneos Entropía 784 784 785 La segunda ley de la termodinámica 790 LA QUíMICA en acción La eficiencia de las máquinas térmicas 18.5 18.6 La energía libre de Gibbs 796 La energía libre y el equilibrio químico LA QUíMICA en acción La termodinámica de una liga 18.7 803 807 La termodinámica en los sistemas vivos Resumen de datos y conceptos Palabras clave 810 810 Preguntas y problemas 796 808 809 Electroquímica 818 19.1 Reacciones redox 820 19.2 Celdas electroquímicas 823 19.3 Potenciales estándar de reducción 825 19.4 Espontaneidad de las reacciones redox 831 19.5 Efecto de la concentración sobre la fem de la celda 19.6 Baterías 839 834 LA QUíMICA en acción Energía bacteriana 843 19.7 19.8 Corrosión Electrólisis 844 848 LA QUíMICA en acción Molestia producida por las amalgamas dentales Resumen de datos y conceptos Palabras clave 855 Preguntas y problemas 855 MISTERIO de la química Agua sucia 864 854 853
  • 22. http://carlos2524.jimdo.com/ XVlll Contenido Metalurgia y la química de los metales 866 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 Abundancia de los metales Procesos metalúrgicos 868 868 Teoría de las bandas de conductividad 876 Tendencias periódicas de las propiedades metálicas Los metales alcalinos Los metales alcalinotérreos Aluminio 878 879 883 885 LA QUíMICA en acción Reciclado de aluminio 888 Resumen de datos y conceptos 889 Palabras clavi; 889 Preguntas y problemas 888 Elementos no metálicos y sus compuestos 894 21.1 21.2 Propiedades generales de los no metales Hidrógeno 896 896 LA QUíM ICA en acción Hidrógeno metálico 901 21.3 Carbono 902 LA QUíMICA en acción Gas sintético a partir del carbón 21.4 Nitrógeno y fósforo 905 906 LA QU íMICA en acción Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo 21.5 21.6 Oxígeno y azufre Los halógenos 913 914 921 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 929 929 Preguntas y problemas 928 Química de los metales de transición y compuestos de coordinación 934 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 Propiedades de los metales de transición 936 La química del hierro y del cobre 939 Compuestos de coordinación 940 Estructura de los compuestos de coordi nación 946 El enlace en los compuestos de coordinación: teoría del campo cristalino 949 Reacciones de los compuestos de coordinación 955 Aplicaciones de los compuestos de coordinación 955
  • 23. http://carlos2524.jimdo.com/ xix Contenido LA QUíMICA en acción Compuestos de coordinación en los sistemas vivos LA QUíMICA en acción Cisplatino: el medicamento anticancerígeno Resumen de datos y conceptos 960 Palabras clave Preguntas y problemas • 960 958 959 MISTERIO de la química Datación de pinturas con el azul de Prusia 964 Química nuclear 966 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 L a naturaleza de las reacciones nucleares Estabilidad nuclear Radi actividad natural Transmutación nuclear Fisión nuclear 968 970 975 978 981 LA QUíMICA en acción El reactor de fisión nuclear de la naturaleza 23.6 23.7 23.8 F usión nuclear 987 Ap licaciones de los i sótopos 989 Efectos biológicos de la radiación LA QUíMICA en acción Irradiación de los alimentos 991 993 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 994 Preguntas y problemas 994 994 MISTERIO de la química El arte de la falsificación en el siglo xx 1000 Química orgánica 1002 24.1 24.2 Clases de compuestos orgánicos Hidrocarburos alifáticos 1004 1004 LA QUíMICA en acción Hielo que se quema 1016 24.3 24.4 986 1017 Hidrocarburos aromáticos Química de los grupos f uncionales LA QUíMICA en acción La industria del petróleo 1020 1026 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 1029 Preguntas y problemas 1029 1029 MISTERIO de la química La desaparición de huellas digitales 1036 956
  • 24. http://carlos2524.jimdo.com/ xx Contenido Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1038 25.1 25.2 25.3 Propiedades de los polímeros Polímeros orgánicos sintéticos Proteínas 1040 1040 1045 LA QUíMICA en acción Anemia de células falciformes: una enfermedad molecular 25.4 Ácidos nucleicos 1052 1054 LA QUíMICA en acción Huella digital del DNA 1057 Resumen de datos y conceptos Palabras clave 1058 Preguntas y problemas 1058 1058 MISTERIO de la química Una historia que le erizará los cabellos 1062 Apéndice 1 Derivación de los nombres de los elementos A-1 Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7 Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8 Apéndice 4 Operaciones matemáticas A -13 Glosario G-1 Respuestas a problemas pares Créditos C-1 Índice 1-1 AP-l
  • 25. http://carlos2524.jimdo.com/ El enunciado de apertura de esta obra es: "La química es una ciencia activa y en evolución, de una importancia vital para nuestro mundo, tanto en el ámbito de la naturaleza como en el de la sociedad." A través de este texto, las secciones tituladas La química en acción y Misterio de la química presentan ejemplos de química específicos que muestran su actividad y su evolución en todas las facetas de nuestras vidas. LA QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big-Bang La importancia de las unidades Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas vivos Fertilizantes químicos Una reacción de precipitación indeseable Alcoholímetro Metal proveniente del mar El buceo y las leyes de los gases Átomos superenfriados Fabricar nieve e inflar un neumático de bicicleta Valores energéticos de los alimentos y otras sustancias Cómo se defiende el escarabajo bombardero Láser: la luz esplendorosa Microscopía electrónica ¿El tercer elemento líquido? El descubrimiento de los gases nobles Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante Sólo diga NO Los hornos de microondas: el momento dipolar en acción El buckybalón ¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? Superconductores a altas temperaturas y todo por un botón Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión y el patinaje sobre hielo Cristales líquidos El lago asesino Desalinización Determinación de la edad del Sudario de Turín Femtoquímica La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina El proceso Haber Antiácidos y el balance del pH en el estómago 10 20 52 104 126 143 155 198 205 233 245 251 280 283 329 346 365 384 412 440 463 476 478 490 491 516 530 568 580 630 631 684 xxi
  • 26. http://carlos2524.jimdo.com/ xxii Lista de aplicaciones Mantenimiento del pH de la sange ¿Cómo se forma un cascarón de huevo? La eficiencia de las máquinas térmicas La termodinámica de una liga Energía bacteriana Molestia producida por las amalgamas dentales Reciclado del aluminio Hidrógeno metálico Gas sintético a partir del carbón Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo Compuestos de coordinación en los sistemas vivos Cisplatino: el medicamento anticancerígeno El reactor de fisión nuclear de la naturaleza Irradiación de los alimentos Hielo que se quema La industria del petróleo Anemia de células falciformes: una enfermedad molecular Huella digital del ADN 706 736 796 807 843 853 888 901 905 913 956 958 986 993 1016 1026 1052 1057 MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios ¿Quién asesinó a Napoleón? Sin oxígeno El neumático explosivo Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio El cuchillo equivocado La descomposición de los papeles Un duro bocadillo Agua sucia Datación de pinturas con el azul de Prusia El arte de la falsificación en el siglo xx La desaparición de huellas digitales Una historia que le erizará los cabellos 38 166 220 264 312 542 694 748 864 964 1000 1036 1062
  • 27. http://carlos2524.jimdo.com/ esde la primera edición, mi intención ha sido escribir un libro de química general que proporcionara una base sólida de los conceptos y principios químicos, y que infundiera en los estudiantes una apreciación de la parte vital que tiene la química en nuestra vida diaria. Es mi responsabilidad como a~tor de este libro de texto ayudar tanto a los profesores como a sus estudiantes a alcanzar este objetivo mediante la presentación clara y lógica de una amplia gama de temas. Siempre que ha sido posible he tratado de encontrar un balance entre la teoría y la práctica, y de ilustrar los principios básicos con ejemplos cotidianos. Pero sobre todo, el objetivo principal ha sido escribir un texto comprensible y claro. Con cada nueva edición he tratado de mejorar la pedagogía empleada para desarrollar en los estudiantes habilidades de pensamiento crítico y de resolución de problemas, así como encontrar formas nuevas y efectivas para presentar conceptos químicos abstractos. D porciona a los estudiantes una visión general de los temas que se abordarán en el mismo. o o o o o o o Lo nuevo en esta edición Muchas secciones de este texto han sido revisadas y actualizadas gracias a los comentarios de revisores y usuarios. A continuación se muestran algunos ejemplos: o Las páginas de apertura de cada capítulo cuentan con una sección titulada "Avance del capítulo", la cual pro- o o Todas las ecuaciones y respuestas para la mayor parte de los ejercicios resueltos se encuentran sombreadas para facilitar su ubicación visual en el texto. Se ha agregado una introducción a los compuestos orgánicos en la sección 2.8. Se ha revisado el tema del capítulo 4 que trata los tipos de reacciones (precipitación y ácido-base). Se ha awpliado el análisis de la difusión y efusión de gases de la sección 5.7. En la sección 13.3 ahora se analizan las reacciones de orden cero, además de las reacciones de primer y segundo orden. En la sección 15.3 se compara la definición del pH con los conceptos de concentración y actividad. Se han actualizado varios ensayos de las secciones tituladas La química en acción y se agregaron dos nuevos a los capítulos 11 y 19. Se ha añadido un nuevo Misterio de la química al capítulo 7. Al igual que en la edición anterior se ha logrado una buena mezcla de problemas fáciles , intermedios y difíciles al final de cada capítulo. Además de los problemas especiales se agregó una nueva categoría que contiene otros aún más desafiantes. xxiii
  • 28. http://carlos2524.jimdo.com/ xxiv Prefacio Arte Como siempre, me he esmerado por lograr un diseño limpio pero atractivo a la vista. Cada capítulo abre con dos páginas que contienen una foto acompañada de sus correspondientes modelos moleculares para ilustrar el proceso físico o químico a nivel molecular. AVANCE DEL CAPíTULO • E.~te <::1(>11110 da ¡nido ron Unol breve ¡nlraducción al estudio de la qulmica)" su función dc mm de la sociedad moderna. (1 .1 y 1.2) Un globo leno de tt;drOgenoe~­ pIo1aalcalenlarlocoo l1li8 llama. E1hidrógenogaseosQteaCciona con el (lldgeno que está en el a;. re para klrrnar vapor de '9U3-La quiTOcae$elesIu(Ii;)delaspoo. piedades de la materia y óGlos • C3IT"bios que ésIa e>cpeomeru. lo&lT"C>deIosp¡-tr.iCf1UInlasrn> lé<:tJIas de hidlOgeoo. adgeno Y • A continuxión se oonoccrnn las bases del rntlodo cien. mm. el ~u.ll es lII13 metodología ';51". mitic:apamlainvesligacioo cnlotbslasdisciplil:lS.(1.3) • Sedefonirj elr.:onceptodcmaccriayseob!;er.;u-:l q ue una sustaOOapur.lpuNo:iiCrundc,""n. 100 un compuesto. Scdi>ti nguir.1 enlre un;¡ mCICla homogáIea y una hclcrogénca. Se apmldcr.lquc.cnprincipio.lO<b lamatcriapunleu¡sti .enClóllqukl'lldctrn~sólido. l fquido opseoso.(1.4 y I.S ) P3ra~zarunasusunciacsnecesariot'OllOCeTwspropic<bdcsflsic:ls,bsCUJlcs_ob­ scr"o':lblcs sin 'luc sus prop;cd:ldes q ufmit:15 e identidad sufran cambio :JIguoo,loqlX' sólo pue. de demostnrse medianlc cambios qulmiCO!i. ( 1.6) • Debidoaquclaquímicacsunacienci;¡uperirnell:>l.implicadusode lasmediciones.Scoo- nocerán las unidada básicasdcl SI (SiSlem:> Imcmacional de medidas) y se cmple:lrán sus uni· dJdes dcri,Oldas en cantidades C()OI() el lIOI url"lCn y la densidad. Tambi4!n se estudiar:ln las lres cscalasdc lempenllur.l: Celsius, Fahmlheil y Kclvin. (1.7) • Con rrccucncia,loscllculos químicos implican el usodecantid:xles muy pequclbso mu)' grnndc$, 'j una m.mern ~ieOI~ paro tratar oon algunas de eStaS e ifr.!.' es la nouciÓl1 cie ntífic,.. En los cá!eul<>s O mfflici~..ad.lC"~midaddebe present:lrel núm~~U:ldl)<k cir....~$ sigoi ficali,,,,,, Ia.'queoom:sponden ndrgilos importanles. (1 .8) • Por último, se ~nl~ nde¡;j la utilidad del ,'o~I;, i s dimensional para los cálcul os quím i.)!. Al l1e v;lrc~da unidad a lo I~rgu de la secuencia com pl ' la de cálcul os. lodas I~s lnid,odc s .'C cance bn. a excepdón de lacmllidad buscada. ( 1.9) L~~~:!~a ~1::I~~=~~~;:;i:!~~~':s~:~=~~:~g:~ l~nq:~:r;:::~CI: dos se:midos una ciencia moderna. como se: wr.l poco más adcl,uue. Se iniciará el estudio de la químic:l en el ni".:! macroscópico. ~-n. el que es posible obsc:r"ar y mctJir l (X<rn:lcriales q ue formannUCSlromundo.Enestec:tpil ulose:anali"L:U":ielm~UloJocicnlifiro, que es b rose par.! b im-.::sligac:i6n no sólo en quimic:l, ~no tambi<'n en las dem;b e'eoo:u. I...utgn. se~brir:i l:!f<lml:l en que losciemifirosdefincnyc:u:tClerizan"lamaleria.Pc&Ieri<trmtn!e.se conooerán los sistemas de medici<ln U$3doo5 en cll:Ibora'<lrio.. Flr último. se dedicad un poro de ¡iempo:.1 a~ndizajc delllUllll:jo de los resull3dos IllIIllI'rieos de las mcWciooes qufmicas)· a la relOIución de problemas numtriros.. En el capitulo 2 (br:i ínítio la e.p&orociOO del mUfldomicTn:Jcó. pirodeál{)mO<Y moIm.las. El estudio del camb io 1. 1 Qufmíc;l: una cicneia p::I1Lc:I siglo XXI l'ropied3desfisic;lsyquími«lSdelamaleria f;l csloo iodelaqu[mic:l Mediciones I'.lmé(oOOciemifico F..1m;.ncjodeIOllnÚmeros Cla~; tkacióndc lamnl"ria 103 An~li.~ i s dimc<lsio<lal en In resoluci ón de problcrnas L<)l lrcscsla<k,,<ielamatcria ,: I Figura 10.7 Formació n de cuatro orbitales hibridos srr a partir de un orbital los vértices de un tetraed ro. 2s y tres orbitales 2p. Los o rbitales srr ap untan hacia Gran parte de los dibujos y esquemas tienen una nueva apariencia, no obstante, siguen conservando la información química exacta. Por ejemplo, los orbitales híbridos que se ilustran en el capítulo 10, tienen un diseño nuevo y actualizado. También se han agregado nuevos diseños moleculares a los dibujos, las fotos y a varios problemas de cierre de capítulo. Además, se ha actualizado el programa fotográfico para complementar la distribución visual del diseño. Por último, el formato de todas las tablas periódicas en el texto también se ha renovado.
  • 29. http://carlos2524.jimdo.com/ xxv Prefacio Problemas El desarrollo de las habilidades para la resolución de problemas siempre ha sido una meta fundamental en este texto. Por ejemplo, en la sección 3.8, el método general para resolver problemas de estequiometría se dividió en varios procesos escalonados. Este método se pone en práctica inmediatamente después en el ejemplo 3.13. Asimismo, el ejemplo 3.14 requiere que los estudiantes utilicen por sí mismos este mismo tipo de procedimiento. Los comentarios al margen permiten aplicar nuevas habilidades a otros problemas similares que se han ubicado al final del capítulo. A cada ejemplo resuelto le sigue un ejercicio de práctica donde se requiere que los alumnos resuelvan un problema similar por su cuenta. Las respuestas a estos ejercicios se presentan al final de la sección de preguntas y problemas al final de cada capítulo. El método ge neml pam resolver problemas de cstcquiOl11ctría se resume a continuaPa50 2: Para C<.lllvcrtir gmmos de C~H,;:ü~ a moles del mismo compuesto, se esc ri be ción Escriba unnecuación balanceada de la reneci ón. 856 g..cr,H"Go;, x COllv icI1a la cantidad cOl1ocidadel rcactivo(en gra mos II otras unid ades) a mímero de llloles. 1~~~;1g..~~~ '" 4.750 mol Cr,H I".!O~ Uti lice la relación rnolnr de la ecuación bal:mceada para calcular el nú mero de moles 4. 3; En la relación molar, se observa que CJ11l0f, "" 6 moles CO" Por lo tanto. el numcro de moles de CO¡ formado es P(I;'O 3. P(1 .(J 4; Por llltilHO, el oúmero de gramos de COI formado resulta de Convierta los mo les de producto en gramos (u otras unidades) de producto del producto formado. 4.150ruol·~ x 1 :;~io;." 28.50 mol COl 28.50Ino¡..eo;x4~.~Z "" 1.25 x 16'gCO~ Con un poco de práctiea, se podráncombinur los rmsosde eonversión Ejemplo 3.13 gmmos de C6 Hll O,. _ Los alimcntu, quc sc ingieron son dcgmdados, o desdoblados. en el cuerpo pamproporcionllr Inenergínneces.ariapamelcrecimientoyotrasfuncioncs.L'IlX'uaci6ngeneral global pmaeste C{llllplicndo proceso está representnda por la degmdaciónde la glucosa ( C.H Il 0 6) en dióxido de carbono (CO¡l yagua(H,O) ' C 6H,P. Si una persona cons ume 856 g de producida? durante cierto periodo. gramos de COl ma,adeC02=8S6g.C~X l~~~~X 1~~~x ~'~~;eC~2 = 1.25 x lO! gCO! + 6O¡_6CO. + 6H¡O C~H'IO. moles de C6H,206- moles de CO 2 _ enllnueewción: ~cuál será la masa de COl ESlrlllegia Segllll la ecuación balnnccada. ¿cómo se compamn las cantidades de C;H 110 6 y COl? Se pueden comparar con b.1se en la re!"ciÓlllllo/"r de la ecuación balanceada, ¿Cómo se convierten lo, gmmos de C.H 11 0 6 en moles de este compuesto? Una vez que se determinan los moles de COl mediante la relación 110lar de la ecuación balanceada, ¿cómo se convienen cn gmmos de CO¡? CJi1206? Ejercido de práctica El metanol (CHJOH) se quema en ai re de acuerdo con la ecuación Si se utiliz.'11l 209 g de metallol en IIn procesu de combustión. ¿cuál será la m~a de H,O pro· Solución Se siguen los pasos de la figllm 3.!!. ducida? Paso 1: Luccuaci,ínbala neeadaseproporcionaenel problema (colllimia) Como profesor, siempre aconsejo a mis estudiantes que elaboren un diagrama del funcionamiento interno de un problema, lo cual es una valiosa herramienta de aprendizaje. En algunos de los ejemplos resueltos he incluido este tipo de dibujos (por ejemplo, vea ejemplo 16.10 en la página 724). Esto es lo que un científico haría al trabajar en un determinado problema. Ejemplo 16. 10 Exactamente 200 mL de BaCl2 0.0040 M sc mezclan con exacta mente 600 mL de K ZS04 0.0080 M. ¿Se formará un precipitado? Estrategia ¿En qué condiciones un compuesto iónico se precipita a partir de una disolución? Los iones en disolución son Bah , CI - , K+ Y SO~ - . De fI(:uerdo con las regla~ de solubilidad enumeradas en la tabla 4.2 (página 123), el único precipitado que se puede formar es BaS0 4 . A partir de la infomlación dada, se puede calcular rBa2+1 y [SO¡- ] debido a que se conoce el nú· mero de moles de los iones en las disoluciones originales y el volumen de la disolución combinada. Después, se calcula el cociente de reacción Q(Q = lBa2+Jo[SO¡-]u) y se compara el valor de Q con K ¡>< de BaS0 4 para ver si se formará un prec ipitado, es decir, si la disolución es sobresaluJ"flda. Es de utilidad realizar un diagrama de la situación . '}.tltlHlL.. MfJWIl18aCCt. ~ C6tl.»J~ "'? [SO~-Jp:: '! Soluci6n El número de moles de BaH presentes en los 200 mL originales de disolución es (colllil1úa)
  • 30. http://carlos2524.jimdo.com/ xxvi Prefacio La sección "Problemas especiales", i lo nuevo en esta edición! , se ha formulado para presentar un desafío al alumno. Varios de estos problemas se han incluido al fi- . nal de cada capítulo. Problemas especiales 1.94 A un cajero bancario se le pide que anne juegos de un dólar cada uno en monedas para los clientes. Cada juego está compuesto de tres monedas de 25 centavos , una moneda de ci nco centavos y dos monedas de 10 centavos cada una. Las masas de las monedas son: 5.645 g para la de 25 centavos, 4 .967 g para la de do· co centavos y 2.316 g para la de 10 centavos . ¿Cuál es el número máximo de juegos que pueden armarse a partir de 33.871 kg de monedas de 25 centavos , 10.432 kg de monedas de cinco centavos y 7.990 kg de monedas de 10 centavos? ¿Cuál es la masa total (en gramos) de esta colecc ión de monedas? 1.98 Una química mezcla dos líquidos, A y B, para fonnar una mezcla homogénea. Las den sidades de los líquidos son 2.05 14 g/mL para A y 2.6678 g/mL para B. Cuando deja caer un pequeño objeto dentro de la mezcla, descubre que éste queda suspendido en el líquido, es decir, que ni fl ota ni se hunde. Si la mezcla se compone de 41.37% de A y 58.63 % de B, en volu men, ¿cuál es la densidad del metal? ¿Puede emplearse este procedimiento, en general , para determ inar las densidades de los sólidos? ¿Qué consideraciones se obtienen al aplicar este método? 1.99 Suponga que se le proporciona un líquido. Describa brevemente los pasos que reali zaría para demostrar Pedagogía Cada capítulo contiene una sección de apeltura titulada "Avance del capítulo" que proporciona a los estudiantes una visión general de los temas que se presentarán en ese capítulo. AVANCE DEL CAPÍTULO • Se iniciaclcsucaphuloconunape .... pecli'lllúS!6ri.cadel3bU"'uN:Idel"'uni~fund..3men. taJes de la maleria. La versióll moderna de la lrorea MÓmic:a fue ~ula.da por JoIUIlñlton en el Si&lOXIX, quien ;a!irm6qIC los elementOS enaban eon~liluidos por p;mICllh.$ e:<I",rn:Kbmen. le pequeftas. l1arnadall ~Iomos.. TodO'llos ~omos de un elememo delcnt'linado son id~micol. pe. ro son di fe",ntcsde los:litom05de tOOos l05dem:is el emenloo . (2.1) • Se observará que. mediante la e~perimentac ión.los c ientllico! hJn aprendido que un átomo es· lá constituido por tres partlc ulas elementales; protón. electron yne utTÓn . El protÓII tiene una carlla ~ti'... elcleclrÓn una""gativ¡¡y c l""ulrónnO lie""Car¡¡¡&.Lo. procOllCsylos""ulrol1CS se locali zan en una pequc/la "'tiónen el « ntrodol :!tomo.denominada noclea. en ",moque • Se analizarán las sllluicmes formas de idenli licar ~ el numero:u6mico es el nUmero de prolOnes en un DUel=. los 'tnmos de diferentes elementos tienen numeros at6micos difeTCntes Los iSÓlopos WIl : ornO'< del mismo elemento con un nGmero diferente de neutrones. El numch ro de masa es I:J. suma del mlmer,) de protoncs y ncutrone s e n un áto-mo. Dcbi do a que uo dto . moes el~ct ri camenteneut ro, ccntjencunmln1<'roi g ualdeelcct ro "" s ydeprotones. ( 2.3) • Se obse ....'31á cómo se pueden Igrup3J 10$ elememos de acuerdo con sus propiedades fJ.ieas y qufmias en UmI. tabla oooocidl como labia periódic:a. La labia periódica permi.. c1:tsirocar los elememos (axoo melalts. metaloides y no metales) y CQlTeI~ S!U propieobdcs de m;IIICra siSlCmitica. (2.4) • Se ,~n1 que los ¡¡tomos de la maror p"nc de los elC1!lenl05 intmIClPan para rOfma' compucs1M. lo¡ cuajes se clasi fiC3Jl como mol&:ulas OCOfll¡>UCSt05 ióniCO$ formados por Iones posili>'Os (cationes) e iones negativos (anione.). (2. S) Im~acolord.laerniaOn radiaclivaool radio (Ra). Los modeosmuestranelnúcleo oelf8 ' d io y los prod uctos de su descnmposicOOrlradiactil8; r¡. dón(Rn) y una parliculaaWa.la cual toene dos protones y dos losel«tmnes~ndlspersosalmledotdetlllldco.c;eiUldi.stanc:iadefl.(2.2) IIII!ronO!s.EI~udiodela'.· diactrvidad ayudO a me;orar al conocomien:o da los coentllicos aCQICadetaestruclUfa alOmlca. • Se anaJiur.i un COfIjunl<! de ",gi3s 'IIe ayld:uán 3 di! nom~ a los compuestos inor¡::l.nicos.. ( 2.7) • Átomos, moléculas e iones Despu~s se aprender.! a utiliu r fÓ<mu las qulmic3.'l (moleculall" y empírkas) p;1m "'presenlnr moIkulas y oom puestos iónicos y mode los pilr:l representar moI~culllS. (2.6) • E!.ce o;$pftulo termina 00II en el o;$phulo24. (2.8) UIIOI bre,,,, imrocluc:ción al tc/lU del mundo orgánico 'Iue se rt1om~rá D~e~':::~::~:m:lde~ ~::~n:=~~~.::,:!:!! ~~~:. !:~:~ piM del ,i lllo XIX . En la aOlualid~d se ~be que toda la matona esm form~da por átomos, molk ulas e iones. La qulmica siempre se relaci ona, de una u otro forma. con " SIM especies. La loorlalU6miCl Laestrucl uradel4tomo Numero atómie<l. numero de masa e isóto pos ,.. Ul labla periódica Fómml;uqllfm;o;:a.. Nomenclatura de los compuestos ImroducciÓll a los compuest05 0rgáni cos " " ' ,,-1
  • 31. http://carlos2524.jimdo.com/ Prefacio Los comentarios al margen proporcionan información adicional sobre datos importantes, o remiten a alguna sección posterior en la cual se detallará con mayor profundidad determinado concepto o a una sección útil para repasar el material. Las imágenes de modelos moleculares abundan en los márgenes, lo que permite a los estudiantes "ver" la molécula que se está analizando en el texto. El icono de tabla periódica en el margen ilustra las propiedades de los elementos de acuerdo con sus posiciones en la tabla. 1'22 xxvü Reacdoncs en di sol ución acoosa nium por completo. es decir, son electróli tos dé bi les. La iOlli zaci6n del ácido a<;tlioo se representa como donde CHJCOO' es el ion acetato. El tf nnino iOlli:JJción se utiJi u para describir la separ.:!- ción de k idos y bases en iones.. Al escribir la fórmula del ácido acéti ro como CH,cOOH. se indi ca que e l protón ionizable está e ll el grupo COOH. La ionización del ácido acético se escribe con doble flecha ¡»m ind icar que la refJcci6n es rCI'crsible, es deci r. la rtucci6n puede $Iu::eder en ambos l'l mtido:f. Inicialmellle, varias CH,COOH moléculas de CH¡COOH se separan en iones C H)COO' y H+, Con el ti e mpo. ulgun os ione s CHJCOO' y H ~ vuelven a combin3rse pora forma r moléclllns de C H1COOH. finalm en te, se llega a un es t~do en e l qu e las mol~cu l as de ácido se ioni ziln con la misma rnp id cz con laqu e vue lve n n combina rse los iones. A es te estado químico, cnc l quc no se obseTVa ca mbio ne to alguno (aunque a nivel molecu la r continúa la actividad) se le ll ama equilibrio qu(mico. El ácido acético es, entonce,o¡, un e lectról ito débil porque su ion ización en agua es incompleta. En cont rnste, en una disoluc ió n de ácido clorhídrico los iones H ' Y CI- no tienden a 'olver a combinarse para formar HCI molecular. Por lo tanto, se util iza una sola n echa para indicar q ue su ionización es completa. 4.2 R eacciones de precipitación La reacci6n de precipitaci6n es un tipo común de reacción en disolución acuosa que u cu· mcteri<fl por luforl/loci6n de urr prool/cto insoluble o precipitado. Un pruipitada es un s6· lido irlSolub/e que se separu de lu düo{uci611. En las reacciones de precipitación por lo lA H 2A 8A genera l partidpM compuestos iónicos. Por ejemplo, cuando se agrega una disolución acuo· sa de nitrato de plomo [Pb(NO J )2[ a una disol ución acuosa de yoduro de potas io (KI), se fonna un prec ip itado nmarillo de yodllro de pl omo (Pbl l ): 3A4ASA6A 7A N o F el S ementos que existen como moléculas diatómicas. Al final del capítulo se proporcionan instrumentos de apoyo para el estudio adicional, como el Resumen de datos y conceptos y también las Palabras clave, los cuales proporcionan al estudiante una visión instantánea del capítulo que se está revisando. El nitmlo de pobsio queda en disolución. L.. fi gura 4.3 muest ra cI progreso de esta r~c­ ción. La reacción nnterior es un ejemplo de una reacci6n de metótesis (ta mbi f n se denomi na reacción de doble desplazamien to), (JI/a "occi6" qlfe implica ti imen:wnbio de partes em" dos compuestos. (En este caso, los cationes en los dos oompuestos intercambi an a.nio-
  • 32. http://carlos2524.jimdo.com/ XXV IlJ Prefacio MATERIALES DE APOYO Esta obra cuenta con interesantes complementos que fo rtalecen los procesos de enseñanza-aprendizaje, así como la evaluación de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más informaci ón y conocer la po lítica de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill. Reconocimientos Me gustaría reconocer el trabajo de los siguientes revisores y grupo de participantes, cuyos comentarios fueron de gran ayuda para InÍ en la preparación de esta nueva edición: Rex D. Ackerson Northern Oklahoma College Jeff Anderson Murray State University Jeff Appling Clemson University Elizabeth Arendt Community College of Rhode [sland Alexandru Bajaban Texas A & M University-Galveston David Ball Cleveland S/ate University Mufeed Basti North Carolina A & T Sta/e University Alan Bates University of MassachusettsDartmouth College Colin Bateman Brevard Community CoLlege Sr. Joanne Bauer Xavier University Paul Benoit University of Arkansas Laine Berghout Weber State University Conrad Bergo East Stroudsburg University Richard Biagioni Missouri State University Christine Bilicki Pasadena City College Dan Black Snow College John Blaha Columbia State Community College Jeffrey O. Boles Tennessee Technological University Wayne Bosma Bradley University David Boyajain Palomar College Robert G. Bryant University o.fVirginia Brian Buffin Western Michigan University Stuart Burris Western Kentucky University Bindy Chakravarty l-Jouston Community College David Chatfi eld Florida International University Joann Chickering Bellevue Community College Paul Ch irik Cornell University Bill Cleaver University of Vermont W. Lin Coker III Campbell University Robert Cordell Heidelberg College Ray Crawford San Jacinto College, Soulh Gary DeBoer LeTorneau University Pat Delaney Worcester Polytechnic lnstitute Yuanjian Deng Texas Southern University Mary Kate Donais Saint Anselm College Bill Durham University of Arkansas Jeffrey Evans University of Southem Mississippi Dr. Ewane Houston Community College "red Fickel Los Angeles Valley College Neil Fitzgerald Marist College Doug F lournoy lndian HilLs Community College Krishna Foster California Slate University-Los Ángeles Kristeen Fukunaga Palomar College Daquing Gao Queensborough Com.munity College Roy Garvey North Dakota State University Natarajan Geetha Palomar College Alicia Glatfelter Wilkes University Joel Goldberg University of Vermont Haro ld Goldwhite Cal!fornia State University-Los Ángeles Lisa Goss ldaho State University Gary Gray University o.f Alabama-Birnúngharn Gregory R. Hale University o.f Texas at Arlington Dale Hawley Kansas State University Sherman Henzel Monroe Communiry College arayan Hosmane Northern Illinois Un iversity Larry Houk University of Memphis Byron Howell 7:yler Junior College Wendy Innis-WhitehoLl se Universiry of Texas-Pan American Richard Jarman College of DuPage Eric Johnson Ball Sta te University Stacy Jones Northwest Mississippi Community College Carolyn Judd Houston Community College Don Jurkowitz Community College of Rhode [sland Kirk Kawagoe Fresno City College Robert Keil Moorpark College Neil Kestner Louisiana Stare Universiry Tracy Knowles Lexington Community College Patrick Ko lniak Louisiana State University Gerald Korenowski Rensselaer Polytechnic Institute Peter Krieger Palm Beach Community College Bette A. Kreuz University of Miclúgan-Dearborn Lennart H. Kullberg Winthrop Uni versily Jothi V. Kumar North Carolina A & T State University Brian Lamp Truman State University John Larese University ofTennessee-Kn.oxville
  • 33. http://carlos2524.jimdo.com/ Prefacio Laurence Lavelle University of California-Los Ángeles Daniel Lawson University of Michigan-Dearborn Clifford LeMaster Boise State University Michael Lerner Oregon State Shannon Lieb Butler University Gerhard Lind Metro State College of Denver Arthur Low Tarleton University Rudy Luck Michigan Technological University Yinfa Ma University of Missouri-Rolla Mark Matthews Jefferson Community College Richard Nafshun Oregon State University Brian McBurnett California State University-Chico Debbie McClinton Brevard Community College Donald Mencer Wilkes University Dave Metcalf University ofVirginia Joyce Miller San Jacinto College Randy Miller California State University-Chico Renee R. Muro Oakland Community College Chip Nataro LaFayette College David Newman Bowling Creen State University Anne Nickel Milwaukee School of Engineering Daphne Norton Emory University Greg Oswald North Dakota State University Tom Otieno Eastern Kentucky University Jason Overby College ofCharleston Gholam Pahlavan Houston Community College Ruben Dario Parra DePaul University Manoj Patil Western Iowa Technical Community College Les Pesterfield Western Kentucky University Karl Peterson University ofWisconsin-River Falls Gary Pfeiffer Ohio University-Athens Joanna Piotrwoska Normandale Community College Henry Po California State University-Long Beach Steve Pruett Jefferson Community College Judy Ratliff Murray State University Carey S. Reed Penn State-Altoona JelTy Reed-Mundell Cleveland State University Michelle Richards-Babb West Virginia University B. Ken Robertson University of Missouri-Rolla Rhonda Robertson Jones Junior College Ellen Roskes Villa Julie College Tim Royappa University ofWest Florida James Rozell Tyler Junior College Susan Rutkowsky Drexel University Arthur Salido Mercer University xxix Karen Sanchez Florida Community College at Jacksonville Dennis Sardella Boston College Paul Schumacher United Sta tes Military Academy Nelson Scott California State Polytechnic University Will Seltzer University of Alabama-Huntsville Supriya Sihi Houston Community College Alka Shukla Houston Community College Shyam Shukla Lamar University Andy Slagle Rose State College Sheila Smith University of Michigan-Dearborn Kathie Snyder Winthrop University LalTy O. Spreer University ofthe Pacific Alan Stolzenberg West Virginia University Kathy Thrush Villanova University Wayne Tikkanen California State UniversityLos Ángeles Richard Toomey Northwest Missouri State University Frank TOlTe Springfield College Anthony Toste Missouri State University Kris Varazo Francis Marion University Maria Villarba Glendale Community College Dragic Vukomanovic University of MassachusettsDartmouth Rosie Walker Metropolitan State College of Denver Sheryl Wallace South Plains College Jeffrey Wardeska East Tennessee State University Phil Watson Oregon State University David Weiss University of Colorado at Colorado Springs Tracy Willis Texas Southern University Klaus Woelk University of Missouri-Rolla Frank Woodruff University of Southern Mississippi John Young Mississippi Sta te University James Zirnmerman Missouri Sta te University También quisiera agradecer a las siguientes personas por su contribución en los problemas al final de cada capítulo: Nancy Gardner California State University-Long Beach John Hagen California Polytechnic State University-San Luis Obispo Michael Jones Texas Tech University Jason Overby College ofCharleston Philip Reid University ofWashington Como siempre, me he beneficiado de las pláticas con mis colegas en Williams College y de la cOlTespondencia con muchos profesores internos y externos.
  • 34. http://carlos2524.jimdo.com/ xxx Prefacio Es un placer agradecer el apoyo que me han brindado los siguientes miembros de la división de estudios universitarios: Tammy Ben, Doug Dinardo, Chad Grall, Tracy Konrardy, Kara Kudronowicz, Marty Lange, Michael Lange y Kurt Strand. En particular, me gustaría mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la producción en condiciones de tiempo muy limitadas, a David Hash por el diseño del libro, a John Leland por la investigación fotográfica, a Jake Theobald y Judi David por los recursos multimedia y a Tami Hod- ge, directora de marketing, por sus sugerencias y estímulo. También agradezco al editor de patrocinio, Thomas Timp, y al editor, Kent Peterson, por su apoyo y consejos. Por último, mi agradecimiento especial a Shirley Oberbroeckling, editora de desarrollo, por su cuidado y entusiasm~ en el proyecto, y por su supervisión en cada etapa de la elaboración de esta edición. Agradecemos la valiosa contribución de los siguientes profesores que participaron en la asesoría técnica de la versión en español de la novena edición: Randall Coffie Goedhoop ITESM, campus Guadalajara Susana Francisca Llesuy Universidad de Buenos Aires María del Carmen Grande Universidad de Buenos Aires Javier Ramírez Angulo ITESM, campus Estado de México Silvia Ponce López ITESM, campus Monterrey Nancy Martin Guaregua Universidad Autónoma MetropolitanaIztapalapa Verónica Martínez Miranda Universidad Autónoma del Estado de México campus Toluca Jorge Noriega Gaxiola Instituto Tecnológico de Culiacán Teresa Ávalos Munguía CUCEI, Universidad de Guadalajara e ITESM, campus Guadalajara Ma. del Carmen Doria Serrano Universidad Iberoamericana, Ciudad de México Raymond Chang Eduardo Zárate Márquez ITESM, campus Sinaloa Irma Salgado Escobar ITESM, campus Ciudad de México Ana María Mutio ITESM, Campus Toluca PaoJa Zarate Segura ESIME, Instituto Politécnico Nacional-Culhuacán Daisy Escobar Castillejos Universidad Autónoma de Chiapas Geolar Fetter Universidad de las Américas Puebla y Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Araceli Florido Segoviano ITESM, campus Querétaro Carmen Ma. Bojórquez Aldapa Instituto Tecnológico de Culiacán
  • 35. http://carlos2524.jimdo.com/ a química general se percibe, comúnmente, como una materia más difíc.il que otras. Existe cierta justificación para tal creencia. Por una parte, tiene un lenguaje muy especializado. Al prinCIpIO, estudiar qUllllica es como aprender un nuevo idioma. Más adelante, algunos de los conceptos son abstractos. Sin embargo, con cierto esmero, el estudiante completará con éxito este curso e incluso lo disfrutará. He aquí sugerencias que le ayudarán a formar buenos hábitos de estudio y a dominar el material de este texto: L • Asista a clases regularmente y tome notas con cuidado. • Si es posible, repase siempre los temas analizados en clase el mismo día que se cubrieron. El libro le ayudará a completar sus apuntes. • Piense de manera crítica. Pregúntese si en verdad comprendió el significado de un término o el, uso de una ecuación. Una buena manera de comprobar su comprensión es explicar un concepto a un compañero de clase o a otra persona. • No dude en pedir ayuda al profesor o a su asistente. Las henamientas de la novena edición de Química fueron diseñadas para capacitarlo en el buen desempeño dentro de su curso de química general. La siguiente guía explica cómo obtener plena ventaja del texto, la tecnología y otras herramientas. • Antes de entrar de lleno a un capítulo, revise la organización del mismo y lea la introducción para darse una idea de los temas importantes. Tome apuntes en clase con base en la organización del capítulo. • Al final de cada capítulo aparece un resumen de datos y conceptos, así como una lista de palabras clave, que le ayudarán a prepararse para los exámenes. • Las definiciones de las palabras clave pueden estudiarse en contexto en las páginas señaladas en la lista al final del capítulo, o bien, en el glosario del libro. • El estudio cuidadoso de los ejemplos numerados, que se intercalan en el cuerpo de cada capítulo, mejorará su habilidad para analizar los problemas y efectuar los cálculos necesarios para resolverlos. Tómese su tiempo para trabajar en el ejercicio que sigue a cada ejemplo, pues le servirá para asegurarse de haber comprendido la forma de resolver el tipo de problema en turno. Las respuestas a los ejercicios aparecen al final del capítulo, después de los problemas de tarea. Para una práctica adicional, remítase a los problemas similares indicados en el margen junto al ejemplo. • Las preguntas y los problemas al final de capítulo fueron organizados por sección. • La parte interior de la cubierta muestra una lista de cifras importantes y de tablas con referencias a las páginas. Este índice facilita buscar con rapidez la información cuando usted se encuentra resolviendo problemas o estudiando problemas relacionados en diferentes capítulos. Si sigue estas sugerencias, y se mantiene al día con sus tareas, encontrará que la química es desafiante, pero menos difícil y mucho más interesante de lo que imaginó. Raymond Chang xxxi
  • 38. http://carlos2524.jimdo.com/ Un globo lleno de hidrógeno explota al calentarlo con una flama. El hidrógeno gaseoso reacciona con el oxígeno que está en el aire para formar vapor de agua. La química es el estudio de las propiedades de la materia y de los cambios que ésta experimenta. Los modelos presentan las moléculas de hidrógeno, oxígeno y agua. Química El estudio del cambio 1.1 Química: una ciencia para el siglo 1.2 El estudio de la química 1.3 . El método científico 1.4 Clasificación de la materia 1.5 Los tres estados de la materia XXI 1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia 1.7 Mediciones 1-8 El manejo de los números 1.9 Análisis dimensional en la resolución de problemas
  • 39. http://carlos2524.jimdo.com/ AVANCE DEL CAPÍTULO • Este capítulo da inicio con una breve introducción al estudio de la química y su función dentro de la sociedad moderna. (1.1 y 1.2) • A continuación se conocerán las bases del método científico, el cual es una metodología sistemática para la investigación en todas las disciplinas. (1.3) • Se definirá el concepto de materia y se observará que una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. Se distinguirá entre una mezcla homogénea y una heterogénea. Se aprenderá que, en principio, toda la materia puede existir en cualquiera de tres estados: sólido, líquido o gaseoso. (1 04 Y 1.5) • Para caracterizar una sustancia es necesario conocer sus propiedades físicas, las cuales son observables sin que sus propiedades químicas e identidad sufran cambio alguno, lo que sólo puede demostrarse mediante cambios químicos. (1.6) • Debido a que la química es una ciencia experimental, implica el uso de las mediciones. Se conocerán las unidades básicas del SI (Sistema Internacional de medidas) y se emplearán sus unidades derivadas en cantidades como el volumen y la densidad. También se estudiarán las tres escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. (1.7) • Con frecuencia, los cálculos químicos implican el uso de cantidades muy pequeñas o muy grandes, y una manera conveniente para tratar con algunas de estas cifras es la notación científica. En los cálculos o mediciones cada cantidad debe presentar el número adecuado de cifras significativas, las que corresponden a dígitos importantes. (1.8) • Por último, se entenderá la utilidad del análisis dimensional para los cálculos químicos. Alllevar cada unidad a lo largo de la secuencia completa de cálculos, todas las unidades se cancelan, a excepción de la cantidad buscada. (1.9) a química es una ciencia activa y en evolución que tiene importancia vital en nuestro planeta, tanto en la naturaleza como en la sociedad. Aunque sus raíces son antiguas, la química es en todos sentidos una ciencia moderna, como se verá poco más adelante. Se iniciará el estudio de la química en el nivel macroscópico, en el que es posible observar y medir los materiales que forman nuestro mundo. En este capítulo se analizará el método científico, que es la base para la investigación no sólo en química, sino también en las demás ciencias. Luego, se descubrirá la forma en que los científicos definen y caracterizan a la materia. Posteriormente, se conocerán los sistemas de medición usados en el laboratorio. Por último, se dedicará un poco de tiempo al aprendi zaje del manejo de los resultados numéricos de las mediciones químicas y a la resolución de problemas numéricos. En el capítulo 2 dará inicio la exploración del mundo microscópico de átomos y moléculas. L 3
  • 40. http://carlos2524.jimdo.com/ 4 Química: El estudio del cambio 1.1 Química: una ciencia para el siglo El ideograma chino para el término química significa "el estudio del cambio". XXI La química es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le considere como la ciencia central, ya que los conocimientos básicos de química son indispensables para los estudiantes de biología, física, geología, ecología .y muchas otras disciplinas. De hecho, la química es parte central de nuestro estilo de vida; a falta de ella, nuestra vida sería más breve en lo que llamaríamos condiciones primitivas, sin automóviles, electricidad, computadoras, discos compactos ni muchas otras comodidades modernas. Aunque la química es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos se remontan al siglo XIX, cuando los adelantos intelectuales y tecnológicos permitieron que los científicos separaran sustancias en sus componentes y, por lo tanto, explicaran muchas de sus características físicas y químicas. El desarrollo acelerado de tecnología cada vez más refinada durante el siglo xx nos ha brindado medios cada vez mayores para estudiar lo que es inapreciable a simple vista. El uso de las computadoras y microscopios especiales, por citar un ejemplo, permite que los químicos analicen la estructura de los átomos y las moléculas -las unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la química- y diseñen nuevas sustancias con propiedades específicas, como fármacos y productos de consumo no contaminantes. En este principio del siglo XXI conviene preguntarse qué función tendrá la ciencia central en esta centuria. Es casi indudable que la química mantendrá una función fundamental en todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Antes de profundizar en el estudio de la materia y su transformación, consideremos algunas fronteras que los químicos exploran actualmente (figura l.1). Sin importar las razones por las que el estudiante tome un curso de introducción a la química, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitirá apreciar sus efectos en la sociedad y en su propia persona. Salud y medicina Tres logros importantes en el siglo xx han permitido la prevención y tratamiento de enfermedades. Se trata de medidas de salud pública que establecieron sistemas sanitarios para proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas; la cirugía con anestesia, que ha posibilitado a los médicos para curar enfermedades posiblemente mortales, como la apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibióticos, que hicieron factible la prevención de enfermedades causadas por microorganismos. La terapia génica al parecer será la cuarta revolución en la medicina. (Los genes son la unidad básica de la herencia.) Se cuentan por miles las enfermedades conocidas, entre ellas la fibrosis quística y la hemofilia, ocasionadas por un daño heredado de un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cáncer, enfermedades cardiacas, SIDA y artritis, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno o más genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo. En la terapia génica se inserta un gen sano específico en las células del paciente para curar o aminonu: esos trastornos. A fin de ejecutar esos procedimientos, el médico debe tener conocimientos sólidos de las propiedades químicas de los componentes mOleculare,s implicados. La descodificació n del genoma humano, que comprende todo el material genético de nuestro organismo y desempeña una función esencial en la terapia génica, se basa principalmente en técnicas químicas. Los químicos de la industria farmacéutica investigan fármacos potentes con pocos o nulos efectos adversos para el tratamiento del cáncer, SIDA y muchas otras enfermedades, además de fármacos para aumentar el número de trasplantes exitosos de órganos. En una escala más amplia, mejorar nuestra comprensión sobre el mecanismo del envejecimiento permitirá lograr esperanza de vida más prolongada y saludable para los habitantes del planeta. Energía y ambiente La energía es un producto secundario de muchos procesos químicos, y al continuar el aumento en su demanda, tanto en países industrializados, entre ellos Estados Unidos, como en
  • 41. http://carlos2524.jimdo.com/ 1.1 Química: una ciencia para el siglo a) b) e) Figura 1.1 a) Resultado de un equipo automatizado secuenciador de ADN. Cada línea muestra una secuenc ia (indicada por colores distintos) obtenida de muestras distintas de ADN . b) Celdas fotovoltaicas. c) Oblea de silic io en fabricac ión. d) La hoja de la izquierda se tomó de una planta de tabaco no sometida'a ingeniería genéti ca y expuesta a la acción del gusano del tabaco. La hoja de la derecha sí fue someti da a ingeniería genéti ca y apenas la atacaron los gusanos. Es facti bl e aplicar la misma técnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas. naciones en vías de desarrollo, como China, los químicos intentan activamente encontrar nuevas fuentes de energía. En la actualidad, las principales fuentes de energía son los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos combustibles durarán otros 50 a 100 años con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente encontrar fuentes alternas. La energía solar al parecer es una fuente viable de energía para el futuro . Cada año, la superficie terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energía contenida en todas las reservas conocidas de carbón, petróleo, gas natural y uranio combinadas. Sin embargo, gran parte de esa energía se "desperdicia" al reflejarse hacia el espacio exterior. En los últimos 30 años , las intensas actividades de investigación han mostrado que la energía solar puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es su conversión directa en electricidad mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en usar la luz solar para obtener hidrógeno a partir del agua. Luego, el hidrógeno alimenta a una celda combustible para generar electricidad. Aunque se han logrado adelantos en los conocimientos del proceso científico de conversión de la energía solar en electricidad, la tecnología todavía no ha mejorado al punto de que sea factible producir electricidad en gran escala y con costo económicamente aceptable. Sin embargo, se ha predicho que para el año 2050 la energía solar satisfará más de 50% de las necesidades energéticas. XXI 5
  • 42. http://carlos2524.jimdo.com/ 6 Química: El estudio del cambio Otra posible fuente de energía es la fisión nuclear, si bien el futuro de la industria nuclear en Estados Unidos y otros países es incierto a causa de preocupaciones ambientalistas sobre los desechos radiactivos de los procesos de fisión. Los químicos pueden ayudar en el mejoramiento del destino final de los desechos nucleares. La fusión nuclear, el proceso que ocurre en el sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energía.sin producir muchos desechos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusión nuclear se convierta en una fuente significativa de energía. La producción y utilización de la energía se relacionan estrechamente con la calidad del ambiente. Una desventaja importante de quemar combustibles fósiles es que se produce dióxido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el calentamiento de la atmósfera terrestre), además de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, que producen la lluvia ácida y el esmog. (El aprovechamiento de la energía solar no tiene esos efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automóviles eficientes en el consumo de combustibles y de convertidores catalíticos más efectivos debe pennitir una reducción considerable de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmósfera en las áreas con tránsito vehicular intenso. Además, debe aumentar el uso de automóviles eléctricos equipados con baterías duraderas y de automóviles híbridos, alimentados por baterías y gasolina, lo que ayudará a minimizar la contaminación atmosférica. Materiales y tecnología La investigación y el desarrollo de la química en el siglo xx han generado nuevos materiales con efecto de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a mejorar la tecnología de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos son lbs polímeros (incluidos el caucho y el nailon) , la cerámica (como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales líquidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos (como los usados en notas adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de látex). ¿Qué nos reserva el futuro cercano? Algo muy probable es el uso de materiales superconductores a temperatura ambiente. La electricidad se conduce por cables de cobre, que no son conductores perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energía eléctrica se pierde en forma de calor entre la planta generadora de electricidad y los hogares u oficinas, lo que constituye un desperdicio enorme. Los superconductores son materiales desprovistos de resistencia eléctrica, y por lo tanto conducen la electricidad sin pérdida de energía. Aunque el fenómeno de la superconductividad a temperaturas muy bajas (más de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congelación del agua) se ha conocido durante más de 80 años, un adelanto importante a mediados del decenio de 1980 reveló que es posible fabricar materiales que actúen como superconductores a la temperatura ambiente o cerca de ella. Los químicos han ayudado en el diseño y síntesis de nuevos materiales promisorios en dicha búsqueda. En los 30 años siguientes, veremos la aplicación en gran escala de superconductores a altas temperaturas en la resonancia magnética de imágenes (RMI) , trenes de levitación magnética y fusión nuclear. Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnológico que ha conformado nuestras vidas más que ningún otro, habría que señalar a las computadoras. El "motor" que impulsa la revolución de las computadoras es el microprocesador -el diminuto chip de silicio que ha servido de base para numerosas invenciones, como las computadoras portátiles y apamtos de fax-. La eficiencia de los microprocesadores se juzga según la velocidad con la que realizan operaciones matemáticas, como la suma. El ritmo del progreso es tal que desde su advenimiento se ha duplicado la velocidad de los microprocesadores cada 18 meses. La calidad de un microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad para agregar la cantidad necesaria de otras sustancias, situación en que los químicos desempeñan una función importante en la investigación y desarrollo de chips de silicio. En el futuro, los científicos empezarán a explorar las perspectivas de la "computación molecular", es decir, la sustitución del silicio con moléculas. Las ventajas radican en que puede lograrse que ciertas moléculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se tendrían
  • 43. http://carlos2524.jimdo.com/ 1.2 El estudio de la química computadoras ópticas, no electrónicas. Con base en la ingeniería genética apropiada, los científicos pueden sintetizar esas moléculas con microorganismos, que sustituirían a grandes fábricas. Las computadoras ópticas también tendrían una capacidad mucho mayor de almacenamiento que las electrónicas. Alimentos y agricultura ¿Cómo alimentar a la creciente población mundial? En países pobres, casi 80% de la fuerza laboral se dedica a la producción agrícola y la mitad del presupuesto familiar promedio se gasta en alimentos. Ello constituye una carga enorme para los recursos de esas naciones. Los factores que afecta~l a la producción agrícola son la riqueza del suelo, los insectos y enfermedades que dañan a los cultivos, y otras plantas que compiten por los nutrientes. Además de la irrigación, los agricultores recurren a fertilizantes y plaguicidas para mejorar la productividad de sus cultivos. Desde el decenio de 1950, el tratamiento de los cultivos infestados por plagas ha consistido a veces en la aplicación indiscriminada de compuestos químicos potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos nocivos graves en el ambiente. Inclusive el uso excesivo de fertilizantes es dañino para el suelo, el agua y la atmósfera. A fin de satisfacer la demanda de alimentos en el siglo XXI, deben idearse estrategias novedosas para la actividad agrícola. Se ha demostrado ya que con la biotecnología es posible obtener cultivos más abundantes y de mejor calidad. Estas técnicas se han aplicado a muchos productos agrícolas , no sólo para mejorar su producción, sino también para obtener más cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que cierta bacteria produce una proteína tóxica para las orugas que comen hojas. La inclusión del gen que codifica la toxina en las plantas cultivadas les brinda protección contra ellas, de modo que no se requieran los pesticidas. Los investigadores también han encontrado la forma de prevenir la reproducción de las plagas de insectos. Los insectos se comunican entre sí al emitir moléculas especiales, llamadas feromonas, ante las cuales reaccionan. La identificación y la síntesis de feromonas implicadas en el apareamiento permite interferir en el ciclo reproductivo normal de plagas comunes, por ejemplo, al inducir el apareamiento reproductivo prematuro de los insectos o engañar a las hembras para que se acoplen con machos estériles. Por añadidura, los químicos pueden idear formas de aumentar la producción de fertilizantes menos dañinos para el ambiente y sustancias que eliminen selectivamente a las hierbas nocivas. 1.2 El estudio de la química En comparación con otras disciplinas, es habitual la idea de que la química es más difícil, al menos en el nivel básico. Dicha percepción se justifica hasta cierto punto; por ejemplo, es una disciplina con un vocabulario muy especializado. Sin embargo, inclusive si éste es el primer curso de química que toma el estudiante, ya está familiarizado con el tema mucho más de lo que supone. En las conversaciones cotidianas, se escuchan palabras relacionadas con la química, si bien no necesariamente usadas en el sentido científicamente correcto. Son ejemplo de ello términos como "electrónica", "salto cuántico", "equilibrio", "catalizador", "reacción en cadena" y "masa crítica". Además, si el lector cocina, ¡entonces es un químico en ejercicio! Gracias a su experiencia en la cocina, sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que si deja hervir el agua en la estufa llega un momento en que se evapora por completo. También aplica los principios de la química y la física cuando usa el bicaóonato de sodio en la elaboración de pan; una olla a presión para abreviar el tiempo de preparación de guisos, y añade ablandador de carnes a un platillo, exprime un limón sobre rebanadas de pera para evitar que se tornen parduscas o sobre el pescado para minimizar su olor, o añade vinagre al agua en la que cuece huevos. Todos los días observamos esos cambios sin pensar en su naturaleza química. El propósito de este curso es hacer que el estu- 7
  • 44. http://carlos2524.jimdo.com/ 8 Química: El estudio del cambio Figura 1.2 Vista mo lecular simp lificada de la formación de la herru mbre (Fe 20 3 ) a parti r de átomos de hierro (Fe) y moléculas de oxígeno (0 2 ), En realidad, el proceso requ iere agua y la herrumbre también contiene moléculas de agua. diante piense como químico, que vea el mundo macroscópico -lo que podemos ver y tocar directamente- y visualice las partículas y fenómenos del mundo microscópico que no podemos experimentar sin la tecnología moderna y nuestra imaginación. Al principio es factib le que al estudiante le resulte confuso que su profesor de química y este libro alternen continuamente entre los mundos microscópico y macroscópico. Simplemente debe tener en mente que los datos de las investigaciones químicas suelen provenir de observaciones de fenómenos a gran escala, si bien las explicaciones suelen radicar en el mundo microscópico invisible e imaginario de átomos y moléculas. En otras palabras, los químicos frecuentemente ven algo (en el mundo macroscópico) y piensan en algo más (en el mundo microscópico). Por ejemplo, al observar los clavos oxidados de la figura 1.2, un químico pensaría en las propiedades básicas de los átomos individuales de hierro y la forma en que interaccionan dichas unidades con otros átomos y moléculas para producir el cambio observado. 1.3 El método científico Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de lo que se denomina método científico, que es un enfoque sistemático para la investigación. Por ejemplo, un psicólogo que pretende indagar el efecto del ruido en la capacidad de las personas para aprender química y un químico interesado en medir el calor liberado por la combustión del hidrógeno gaseoso en presencia de aire utilizarían aproximadamente el mismo procedimiento en sus investigaciones. El primer paso consiste en definir minuciosamente el problema. El siguiente es realizar experimentos, elaborar observaciones detalladas y registrar la información, o datos, concernientes al sistema, es decir, a la parte del universo que se investiga. (En los ejemplos recién mencionados, los sistemas son el grupo de personas que estudia el psicólogo y una mezcla de hidrógeno y aire, respectivamente.) Los datos obtenidos en una investigación pueden ser cualitativos, o sea, consistentes en observaciones generales acerca del sistema, y cuantitativos, es decir, comprende los nú-
  • 45. http://carlos2524.jimdo.com/ 1.3 El método científico 11 Observación I:-------.¡;I Representación l:-------.¡-I t meros obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los químicos usan símbolos y ecuaciones estandarizados en el registro de sus mediciones y observaciones. Esta forma de representación-no sólo simplifica el proceso de registro, sino que también constituye una base común para la comunicación con otros químicos. Una vez terminados los experimentos y registrados los datos, el paso siguiente del método científico es la interpretación, en la que el científico intenta explicar el fenómeno observado. Con base en los datos recopilados, el investigador formula una hipótesis, .9ue es ...!!:!!:.a explicación te!!:.ta ~iva de un conjunto de observaciones .r L~ego, se diseñan experimentos adicionales para verificar la validez de la hipótesis en tantas formas como sea posible y el proceso se inicia de nuevo. En "la figura 1.3 se resumen los pasos principales del proceso de investigación. Después de recopilar un gran volumen de datos, es frecuente que sea aconsejable resumir la información de manera concisa, como una ley. En la ciencia, una leyes un enunciado conciso, verbal o matemático, de una relación entre f enómenos que es siempre la misma bajo las mismas condicio'!!!.§J Por ejemplo, la segunda ley del movimiento de Sir Isaac Newton , que el lector tal vez recuerde de sus cursos de física, afirma que la fuerza es igual a la masa por la aceleración (F = ma). El significado de esta leyes que el aumento en la masa o en la aceleración de un objeto siempre incrementa proporcionalmente su fuerza, en tanto que una disminución en la masa o en la aceleración invariablemente reduce su fuerza. Las hipótesis que resisten muchas pruebas experimentales de su validez pueden convertirse en teorías. Una teoría es un principio unificador que explica un conjunto de hechos o las leyes basadas' en esos hechos. Las teorías también son so metid;:;s a valoración constanú~ . Si una teoría es refutada en un experimento, se debe desechar o modificar para hacerla compatible con las observaciones experimentales. Aprobar o descartar una teoría puede tardarse años o inclusive siglos, en parte por la carencia de la tecnología necesaria. La teoría atómica, que es tema del capítulo 2, es un ejemplo al respecto. Se precisaron más de 2 000 años para confirmar este principio fundamental de la química que propuso Demócrito, un filósofo de la antigua Grecia. Un ejemplo más contemporáneo es la teoría del Big Bang sobre el origen del universo, que se comenta en la página 10. Los adelantos científicos pocas veces, si acaso, se logran de manera rígida, paso a paso. En ocasiones, una ley precede a la teoría correspondiente, o viceversa. Es posible que dos científicos empiecen a trabajar en un proyecto exactamente con el mismo objetivo y terminen con enfoques del todo distintos. Después de todo, los científicos son seres humanos y su forma de pensar y trabajar está sujeta a influencia considerable de sus antecedentes, capacitación y personalidad. El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y a veces ilógico. Los grandes descubrimientos son resultado de las contribuciones y experiencias acumuladas de muchos investigadores., pese a que el crédito por la formulación de una teoría o ley por lo regular se otorga a una sola persona. Por supuesto, la suerte es un factor en los descubrimientos científicos, si bien se ha afirmado que "las oportunidades favorecen a las mentes preparadas". Se requiere atención y capacidad para reconocer la importancia de un descubrimiento accidental y sacar máximo provecho de él. Es muy frecuente que el público general se entere sólo de los adelantos científicos espectaculares. Sin embargo, por cada una de esas historias muy conocidas existen cientos de casos de científicos que han dedicado años a trabajar en pro- o. 9 Figura 1.3 Los tres niveles del estudio de la química y su relaCión. La ob servación corresponde a fenómenos en el mundo macroscópico; los átomos y moléculas conforman el mundo microscópicoo La rep resentación es una escritura científica abreviada que describe un experi mento con símbolos y ecuaciones químicas. Los químicos usan su conocimiento de los átomos y moléculas para explicar un fenómeno observado.
  • 46. http://carlos2524.jimdo.com/ L A Q . u í / M I e A · n aCClon e El helio primordial y la teoría del Big Bang lIi De dónde venimos? ¿Cómo se originó el universo? Los seres {;, humanos nos hemos hecho estas preguntas desde que tenemos capacidad de raciocinio. La búsqueda de respuestas constituye un ejemplo del método científico. En el decenio de 1940, el físico ruso-estadounidense George Gamow planteó la hipótesis de que el universo se inició miles de millones de años atrás con una explosión gigantesca, el Big Bang. En esos primeros momentos, el universo ocupaba un volumen diminuto y su temperatura era más alta de lo irrw.ginable. Esta brillante bola de fuego de radiación mezclada con partículas microscópicas de materia se enfrió gradualmente, hasta que se formaron los átomos. Por la influencia de la fuerza de gravedad, estos átomos se agruparon para formar miles de millones de galaxias, incluida la nuestra, la Vía Láctea. El concepto de Gamow es interesante y muy provocativo. Se ha puesto a prueba experimentalmente de diversas maneras. Por principio de cuentas, las mediciones demostraron que el universo está en expansión, es decir, que las galaxias se alejan unas de otras a gran velocidad. Este hecho es compatible con el nacimiento explosivo del universo. Al imaginar tal expansión en retroceso, como cuando se rebobina una película, los astrónomos han deducido que el universo se inició hace unos 13 000 millones de años. La segunda observación que sustenta la hipótesis de Gamow es la detección de radiación cósmica de fondo. A lo largo de miles de millones de años, ¡el universo inimaginablemente caliente se ha enfriado hasta una temperatura de 3 K (o sea, -270°C)! A esta temperatura, gran parte de la energía corresponde a la región de microondas. Puesto que el Big Bang habría ocurrido simultáneamente en todo el diminuto volumen del universo en formación, la radiación que generó debe haber llenado todo el universo. Así pues, la radiación debe ser la misma en todo el universo que observamos. De hecho, las señales de microondas que registran los astrónomos son independientes de la dirección. El tercer dato que sustenta la hipótesis de Gamow es el descubrimiento del helio primordiaL Los científicos piensan que el helio y el hidrógeno (los elementos más ligeros) fueron los primeros que se formaron en las etapas iniciales de la evolución cósmica. (Se cree que otros elementos más pesados, como el carbono, nitrógeno y oxígeno, se formaron más adelante por reacciones nucleares en las que participaron el hidrógeno y el helio, en el centro de las estrellas.) De ser así, un gas difuso formado por hidrógeno y helio se habría diseminado por todo el universo naciente antes de que se formaran muchas de las galaxias. En 1995, los Foto a color de alguna galaxia distante, incluyendo la posición de un quasar. astrónomos que analizaron la luz ultravioleta proveniente de un lejano quasar (poderosa fuente de luz y de señales de radio que se considera como una galaxia en explosión en el borde del universo) descubrieron que una parte de la luz era absorbida por los átomos de helio en su trayecto a la Tierra. Puesto que el quasar en cuestión dista de nuestro planeta más de 10 000 millones de años luz (un año luz es la distancia que recorre la luz en un año), la luz que llega a la Tierra corresponde a fenómenos que ocurrieron hace más de 10 000 millones de años. ¿Por qué el hidrógeno no fue el elemento más abundante que se detectó? El átomo de hidrógeno tiene un solo electrón, que se desprende por la luz de un quasar en el proceso llamado ionización. Los átomos de hidrógeno ionizados no pueden absorber en absoluto la luz del quasar. Por otra parte, el átomo de helio tiene dos electrones. La radiación puede quitarle al helio uno de sus electrones; pero no siempre ambos. Los átomos de helio ionizados todavía absorben luz y, por lo tanto, son detectables. Los defensores de la explicación de Gamow se regocijaron ante la detección de helio en los confines distantes del universo. En reconocimiento de todos los datos sustentadores, los científicos ahora se refieren a la hipótesis de Gamow como teoría del Big Bang. yectos que finalmente terminaron siendo infructuosos, y en los que se logran resultados positivos sólo después de muchos errores y a un ritmo tan lento que pasan inadvertidos. Sín embargo, inclusive esas investigaciones infructuosas contribuyen de alguna manera al avance continuo del conocimiento del universo físico. Es el amor por la investigación lo que mantiene en el laboratorio a muchos científicos. 10
  • 47. http://carlos2524.jimdo.com/ 1.4 Clasificación de la materia 11 1.4 Clasificación de la materia Al principio del capitulo se define la química como el estudio de la materia y los cambios que experimenta. La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. La materia incluye lo que se puede ver y tocar (como el agua, la tierra y los árboles) y lo que no se puede ver ni tocar (como el aire). Así pues, todo en el universo tiene una conexión "química". Los químicos distinguen varios subtipos de materia con base en su composición y propiedades. La clasificación de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos, además de los átomos y moléculas, que se estudian en el capítulo 2. Sustancias y mezcias Una sustancia es una forma de materia que tiene composición definida (constante) y propiedades distintivas. Son ejemplos de ello el agua, amoniaco, azúcar de mesa (sacarosa), oro y oxígeno. Las sustancias difieren entre sí por su composición y se pueden identificar según su aspecto, color, sabor y otras propiedades. Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la que éstas conservan sus propiedades distintivas. Algunos ejemplos familiares de ello son el aire, los refrescos, la leche y el cemento. ~as mezclas no poseen composición constante. Por lo tanto, las muestras de aire obtenidas en diferentes ciudades probablemente diferirán en su composición a causa de diferencias de altitud, contaminación atmosférica, etcétera. Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Cuando se disuelve una cucharada de azúcar en agua, se obtiene una mezcla homogénea, en la que la composición de la mezcla es uniforme. Sin embargo, al mezclar arena con virutas de hierro, tanto una como las otras se mantienen separadas (figura 1.4). En tal caso, se habla de una mezcla heterogénea porque su composición no es uniforme. Cualquier mezcla, sea homogénea o heterogénea, se puede formar y luego separar por medios físicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales componentes. Así pues, el azúcar se puede recuperar de una disolución en agua al calentar esta última y evaporarla por completo. La condensación del vapor permite recuperar el agua. En cuanto a la separación de la mezcla hierro-arena, es posible usar un imán para separar las virutas Figura 1.4 a) La mezcla contiene virutas de hierro y arena. b) Un imán permite separar las virutas de hierro de la mezcla. Esta misma técnica se usa en mayor escala para separar hierro y acero de objetos no magnéticos, como aluminio, vi drio y plásticos . a) b)
  • 48. http://carlos2524.jimdo.com/ 12 Química: El estudio del cambio TABLA 1.1 Nombre Algunos elementos comunes y sus símbolos Símbolo Nombre Símbolo Nombre Símbolo Aluminio Al Cromo Cr Oro Au Arsénico As Estaño Sn Oxígeno O Azufre S Flúor F Plata Ag Bario Ba Fósforo P Platino Pt Bismuto Bi Hidrógeno H Plomo Pb Bromo Br Hierro Fe Potasio K Calcio Ca Magnesio Mg Silicio Si Carbono C Manganeso Mn Sodio Na Cloro CI Mercurio Hg Tungsteno W Cobalto Co Níquel Ni Yodo 1 Cobre Cu Nitrógeno N Zinc Zn de hierro, ya que el imán no atrae a la arena misma (figura l.4b). Después de la separación, los componentes de la mezcla tendrán la misma composición y propiedades que al principio. Elementos y compuestos Las sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un elemento es una sustancia que no se puede separar en otras más sencillas por medios químicos. Hasta la fecha se han identificado 114 elementos. La mayoría de ellos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios científicos mediante procesos nucleares, que son tema del capítulo 23 de este texto. Por.conveniencia, los químicos usan símbolos de una o dos letras para representar a los elementos. La primera letra del símbolo siempre es mayúscula, no así la letra siguiente. Por ejemplo, Co es el símbolo del elemento cobalto, en tanto que ca es la fórmula de la molécula monóxido de carbono. En la tabla 1.1 se muestran los nombres y símbolos de algunos de los elementos más comunes, y en la segunda de forros de este texto aparece una lista completa de los elementos y sus símbolos. Los símbolos de algunos elementos se derivan de su nombre en latín, por ejemplo; Au de aurum (oro), Fe de ferrum (hierro) y Na de natrium (sodio), en cambio, en muchos otros casos guardan correspondencia con su nombre en inglés. En el apéndice 1 se incluye una lista del origen de los nombres de los elementos y de los científicos que los descubrieron. Los átomos de muchos elementos pueden interactuar entre sí para formar compuestos. Por ejemplo, la combustión del hidrógeno gaseoso con el oxígeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades difieren claramente de las correspondientes a los elementos que la forman. El agua consiste en dos partes de hidrógeno por una de oxígeno. Esta composición no se modifica, sin importar que el agua provenga de un grifo en Estados Unidos, de un lago en Mongolia Exterior o de las capas de hielo de Marte. Así pues, el agua es un compuesto, o sea, una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones fijas. A diferencia de las mezclas, los compuestos sólo se pueden separar en sus componentes puros por medios químicos. Las relaciones entre los elementos, compuestos y otras categorías de materia se resumen en la figura 1.5.